飛秒縱橫巧馭天——記長春理工大學教授郝作強

本刊記者 嚴永紅

2008年在巴黎

激光的問世，可以說是上個世紀最耀眼的發(fā)明——古老的光學科學與光學技術自它獲得了新生，人類探索世界和改變世界的方式變得前所未有的主動。而近年來，蘊含著更大能量和更多秘密的飛秒激光，正在以異乎尋常的速度占領高能物理學研究的前沿陣地。從空氣激光到人工降雨，從大氣污染檢測到光頻率轉(zhuǎn)換……廣泛的應用前景受到了各國科學家的矚目。

“想要更好地利用飛秒激光，必須首先掌握它的基本物理特性?！遍L春理工大學理學院教授郝作強如是說。

尋求突破，永不止步

郝作強與強激光高能物理學結(jié)緣于2001年。那一年，他進入中國科學院物理研究所攻讀博士學位，師從張杰院士，從事超強飛秒激光脈沖在空氣中的非線性成絲研究。張杰院士曾感慨地說：“物理學家挑戰(zhàn)人類百思不得其解的問題，那種滿足感是其他職業(yè)的人無法體會的。”果不其然，一旦踏入飛秒激光研究領域，郝作強探究真理、尋求突破的腳步再未停歇過。

博士學習期間，郝作強所在項目組榮獲了2007年中國科學院杰出科學成就獎。當年10月，他加入了法國里昂第一大學LASIM實驗室，從事飛秒激光等離子體細絲的應用研究，主要包括激光誘導水凝聚研究。2008年10月，作為洪堡研究學者，他進入德國柏林自由大學繼續(xù)從事激光誘導水凝聚研究，同時進行激光光譜技術的研究。在國外的幾年當中，他利用世界上第一臺太瓦級移動飛秒激光裝置（Teramobile），與德國柏林自由大學、德國卡爾斯魯厄理工學院、瑞士日內(nèi)瓦大學、法國里昂第一大學、法國巴黎高科5個著名研究機構(gòu)進行聯(lián)合科學研究；作為核心研究人員參加法國、德國和瑞士的若干大型科研項目。2011年回國進入長春理工大學以后，郝作強更是像陀螺一樣飛快旋轉(zhuǎn)在科研一線，幾乎所有的周末及假期，他都是在實驗室度過的。至今，他和合作者們已在自然－光子學《Nature Photonics》、自然－通訊《Nature Communications》、應用物理快報《Applied Physics Letters》、光學快報《Optics Letters》、光學快訊《Optics Express》等國際著名學術期刊上發(fā)表學術論文60余篇。

提及多年的科研經(jīng)歷，讓郝教授念念不忘的是導師的“完美”和同行們的“專注”。

“能在張杰老師的帶領下進入這個研究領域，是非常幸運的事情。飛秒成絲是張老師的研究方向之一，開始我沒有太多基礎，是他把我?guī)肓诉@個全新領域。小到一個光學元件的使用，大到研究目標方案的制定，他都事無巨細，授之以漁。張老師高瞻遠矚的科研視野以及無窮的人格魅力深深地影響著我們實驗室的每一個人?！?/p>

郝教授坦言，在國外工作期間，同行們的執(zhí)著和專注讓他深受觸動?！斑M行飛秒激光誘導水凝聚的研究時，我們在瑞士萊茵河畔做了半年多的實驗，為了研究不同濕度、溫度下的水凝聚規(guī)律，每天都要工作到半夜。德國人的性格是力求完美的，科研中更是這樣。這種科學嚴謹?shù)墓ぷ鲬B(tài)度對我影響很大。”

腳踏實地，步步為營

所謂成絲現(xiàn)象，是指當功率達到一定得閾值要求時，飛秒激光在光學介質(zhì)傳輸過程中會產(chǎn)生一種獨特的非線性光學現(xiàn)象。在自聚焦效應和電離空氣后產(chǎn)生的等離子體帶來的散焦效應共同作用下，激光脈沖在空氣中可實現(xiàn)超過光束瑞利長度很多倍的長距離傳輸，形成一個很長的較為穩(wěn)定的激光通道。

從1995年這一現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)以來，世界上僅有為數(shù)不多的實驗室正在開展這方面的研究。對郝教授而言，這是一個不容錯過的歷史性機遇。經(jīng)過十余年來科研經(jīng)驗的積累，他已對這一前沿領域有了比較獨到的理解，對發(fā)展方向也有了全面的把握。如果能夠快速整合資源，帶領一些年輕上進的研究人員，在激光與物質(zhì)相互作用研究領域集中攻堅，再經(jīng)過幾年的發(fā)展，在一些研究方向上搶占科研高地是大有希望的。

機遇與挑戰(zhàn)相伴而生，壓力與動力如影相隨。郝教授瞄準的第一個方向，是飛秒激光等離子體成絲動力學。同時，他也給自己設定了樸素的工作準則，一定要“腳踏實地”。

研究結(jié)果表明，飛秒激光等離子絲在調(diào)控自然天氣現(xiàn)象方面有可能發(fā)揮出獨特的作用。比如利用等離子體絲誘導閃電，將閃電引導到安全地點避免災害。再比如，飛秒激光等離子體絲可以誘導空氣中水凝聚，產(chǎn)生一種新型的人工降雨或降雪方式。

人們雖然已基本掌握了等離子體細絲的一些基本特性，但迄今為止，國內(nèi)外還沒有關于空氣中飛秒激光等離子體細絲誘導的各化學成分及其隨時間演化過程的研究報道。

實際上，早在2005年，郝教授就首次進行了等離子體細絲壽命延長的實驗研究，成功地將細絲的壽命延長到了微秒量級。而對于飛秒激光等離子體細絲的各成分的定量的時間演化分析，雖然沒有找到一個行之有效的診斷方法，但采用他一直關注的使用超連續(xù)光腔衰蕩光譜技術（SC-CRDS技術）可以嘗試改變這種困境。如果能夠選用合適的波段進行等離子體細絲的SC-CRDS測量和定量分析，研究細絲中主要化學成分的時間演化特性，得到它們的吸收光譜，應該就可以掌握其演化規(guī)律。

2012年，國家自然科學基金項目“空氣中飛秒激光等離子體細絲主要化學成分的SC-CRDS動力學診斷”立項。郝教授介紹說，“通過這個項目，我們能夠更深入地理解和掌握飛秒激光脈沖的非線性成絲傳輸和化學成分時間演化過程及其物理機制，最終構(gòu)建飛秒激光成絲演化的完整物理圖像，為飛秒激光成絲應用到對天氣的調(diào)控及其它領域提供理論依據(jù)和物理支持”。

在研究中，郝教授感到，面向不同的應用，飛秒激光成絲的研究相應地具有若干研究方向，但無論是進行白光激光雷達，還是進行空氣激光產(chǎn)生的研究，都希望激光成絲或伴隨的非線性過程是穩(wěn)定的、可控的、可反饋優(yōu)化的，因此，成絲的優(yōu)化控制對所有相關的應用研究都是非常關鍵的。于是，在2014年研究團隊再次申請了國家自然科學基金項目并得到了資助。

“我們已經(jīng)實現(xiàn)了比普通透鏡情況下至少高一個量級的超連續(xù)脈沖能量的輸出。但我們在研究中發(fā)現(xiàn)，微透鏡陣列的采用雖然提高了超連續(xù)輻射的輸出能量，但是其轉(zhuǎn)換效率相對普通聚焦透鏡的情況反而降低了，僅僅依靠微透鏡陣列還不能完全實現(xiàn)飛秒激光成絲的操控和超連續(xù)輻射的優(yōu)化控制，尤其是超連續(xù)輻射的轉(zhuǎn)換效率的提高。因此，在這個項目中，我們將激光脈沖的時間整形和微透鏡陣列的空間調(diào)制方式結(jié)合在一起，同時在時間和空間上對激光脈沖進行調(diào)控，進而控制和優(yōu)化激光成絲的過程以及超連續(xù)輻射的光譜展寬與轉(zhuǎn)換效率，實現(xiàn)自適應優(yōu)化控制的、高轉(zhuǎn)換效率以及高脈沖能量的飛秒超連續(xù)白光輸出。”

通過激光脈沖的時間整形和空間調(diào)制，進行飛秒激光在固體光學介質(zhì)中成絲過程的優(yōu)化以及控制，提高飛秒激光成絲的超連續(xù)輻射能量及轉(zhuǎn)換效率的研究，在國際上還是一片未經(jīng)開墾的“處女地”。這項研究的推進，不僅具有重要的基礎物理研究價值，同時也可能是商品化的飛秒超連續(xù)激光光源最終實現(xiàn)的必經(jīng)之路。

在飛秒激光這塊充滿神秘的科研領地，郝教授信仰“實干”、尊崇“專注”。他一貫謙和，最常說的是導師的指引、同行的激勵、學校的支持；最大的期待是有更多有志青年加入自己的研究團隊；他甚至抵觸對自己豐富的科研經(jīng)歷進行任何宏大意義上的渲染。也許對他而言，科研不需升華，因為科研本身即是意義。

他所在的長春理工大學理學院超快光學實驗室，是林景全教授在2009年回國后逐步建立起來的，已經(jīng)具有了較完善的研究條件，正在承擔國家、部委項目及地方項目10多項，2011年被評為吉林省飛秒激光與物質(zhì)相互作用科技創(chuàng)新團隊，2014年被評為長春市超快激光應用科技創(chuàng)新中心。目前，實驗室正在進行超快納米等離激元、飛秒激光成絲、激光等離子體極紫外光刻光源、光腔衰蕩光譜技術以及激光誘導擊穿光譜技術等多個國際前沿熱點領域的研究，郝教授表示，“歡迎有志青年加入到我們的隊伍”。