點亮微觀世界“最快的光”

肖貞林

激光是20世紀以來繼核能、電腦、半導體之后，人類的又一重大發(fā)明。它從誕生起便被冠以“最快的刀”“最準的尺”“最亮的光”之名。其原理早在1916年就已被著名物理學家愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，但直到1960年才被首次成功制造?？梢哉f，激光是在有理論準備和生產(chǎn)實踐迫切需要的背景下應運而生的。因此它一問世，就獲得了異乎尋常的飛快發(fā)展，不僅使古老的光學科學和光學技術獲得了新生，而且催生了一種全新光學技術手段——激光脈沖的出現(xiàn)。激光脈沖指激光定向發(fā)光，大量光子集中在一個極小的時間范圍內(nèi)射出的現(xiàn)象，其波長具有一定的范圍分布。目前，激光脈沖技術持續(xù)發(fā)展，脈沖寬度已經(jīng)進入了超短的飛秒（10-15秒）甚至阿秒（10-18秒）的時間尺度。脈沖寬度越短，具有越“快”的“拍照”能力。

我國一直十分重視發(fā)展此類激光技術的推進。西安光學精密機械研究所（簡稱“西安光機所”）便是被國家賦予重任的業(yè)內(nèi)“領跑者”之一。它不僅承建了我國早期設立的國家重點實驗室之一（瞬態(tài)光學與光子技術國家重點實驗室），還伴隨著國家在飛秒技術領域的發(fā)展項目歷練，如今在阿秒光源領域頗有建樹。依托于優(yōu)秀平臺，阿秒科學與技術中心常務副主任付玉喜對未來超快超短激光與阿秒光源的發(fā)展前景看法十分樂觀：“雖然我國在此研究領域的起步時間并不算早，但如今有這么多優(yōu)秀的同仁勠力同心，相關技術必將云程發(fā)軔，萬里可期?！彼麍远ǖ馈?/p>

行程萬里?熱愛如一

2001年，同濟大學應用物理專業(yè)實驗課堂之上出現(xiàn)的“光鑷”這一知識點深深吸引著付玉喜，他直言自己能與光學研究結緣，完全是出于對它的好奇與向往。

20世紀60年代，當激光作為具有極高亮度的相干光源出現(xiàn)時，光壓的研究發(fā)生了革命性的變化。1970年，美國貝爾（Bell）實驗室的阿斯金（Ashkin）等人首次在實驗上利用相向傳播的兩束高斯光束捕獲了在水中的二氧化硅微球，證明了激光對微粒的散射力;1986年，其團隊又利用經(jīng)高數(shù)值孔徑聚焦的單束激光實現(xiàn)了對電介質(zhì)微球的三維捕獲，這一成果標志著光鑷技術的誕生，這在當時曾引起學術界廣泛關注與討論。

光鑷的發(fā)明為人類研究微觀尺度里的相互作用、深入理解微觀世界提供了強有力的工具。因為在微觀尺度的研究中，除了“看得清”，還需要“摸得著”，而光鑷就是那只“摸得著”微觀粒子的“手”，它可以夾持住微粒并控制微粒的移動與旋轉(zhuǎn)。但光鑷又不同于一般的“鑷子”，由于其本質(zhì)上是利用光去操控微粒，因此具有無機械接觸和低損傷的特點，只要選擇合適的低吸收波長，特別是近紅外波段，光鑷對生物組織的熱損傷幾乎可以忽略不計，非常適合應用于有關生命科學的研究。當此類概念還未清晰地根植于付玉喜腦海中時，他只是感慨于這種以光操控粒子的行為“簡直太神奇了！”從此，“激光”便在他腦海里打下了深深的烙印。懷揣一顆求索之心，他前往中國科學院上海光學精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室攻讀了光學專業(yè)的博士研究生，從事光學領域中的前沿部分——超短脈沖激光技術與阿秒光源研究。

眾所周知，物質(zhì)是由原子、分子、電子等微觀粒子組成的。物質(zhì)的宏觀性質(zhì)往往取決于構成它的微觀粒子種類、結構及運動狀態(tài)。也就是說，當微觀粒子運動狀態(tài)發(fā)生改變，物質(zhì)的微觀結構便會隨之而改變，于是物質(zhì)的宏觀性質(zhì)在極大概率上也會發(fā)生相應改變，這恰恰印證了一句科研界廣為流傳的諺語：“結構決定性質(zhì)?！彼裕芯繕嫵晌镔|(zhì)微觀粒子的動力學行為，探索對這些動力學行為進行超高時間分辨率的測量和控制方法，才能實現(xiàn)對與之相關的物理、化學、生物等宏觀物性的理解、應用和控制，這是當今光學研究中重要的基礎內(nèi)容，也是“超快科學”存在的基本意義。

在程亞研究員與徐至展院士的共同指導下，付玉喜從博士階段起便開始參與到具體的研究項目之中。5年的時間里，他出色完成了“飛秒激光成絲研究”與“利用紅外飛秒光源開展高次諧波實驗”：前者用簡單的相位板成功將飛秒激光在空氣中的成絲延長了幾倍之多，為飛秒激光遙感及飛秒激光傳輸提供了一定的理論基礎;后者成功證明了長波長激光驅(qū)動光源更有利于產(chǎn)生高光子能量的諧波。除此之外，團隊還齊心開發(fā)了“水窗”波段的軟X射線光源，為推動我國激光裝置向著“更快、更準、更強”的目標前進，提供了新的可能。

準確識變?主動求變

即便求學時所接觸的科研工作已經(jīng)足夠出色，但付玉喜對自己的要求還遠未止步于此。在開展博士后研究工作前夕，他開始深刻審視自身仍存的知識局限及科研視野問題。經(jīng)過一番深思熟慮，在導師的推薦下，他決定前往日本理化學研究所（RIKEN）汲取經(jīng)驗，進一步挖掘主研領域?qū)W問的深度。

初至陌生環(huán)境，總難免要克服許多困難，生活如是，科研也如是。“雖然不用費太多精力來倒時差，但是我的生活和工作，在踏上異國土地的數(shù)月之中，基本是一片‘百廢待興的狀態(tài)?！备队裣舱{(diào)侃道。在面對首個由他主持的大型科研項目“紅外飛秒光源開發(fā)及應用”時，他直言自己當初有些焦慮，“我真的是完全從頭開始摸索，中間有很多關鍵的技術問題亟待突破?！薄捌D難險阻在前，卻無法輕易改變”的壓力一度讓付玉喜難以靜下心，“由于激光在遠距離傳播時，指向性會有不穩(wěn)定的情況產(chǎn)生，我們?yōu)榇酥铝τ谔骄考す怄i定的問題。但所需設備需要進行一些比較精細的電路修改，需要反反復復地與工廠討論、溝通，這就要花費不少時間，我心里不免會有些焦急。這時我注意到實驗室中有一位前輩，他的實驗工具，從電路焊接到鏡架切割加工，全部都是由他親手完成，數(shù)十年如一日堅持如此。要知道，制作精密儀器的步驟是非常煩瑣的，這種‘匠人精神給了我極深刻的啟示與感悟，我意識到急則生亂，靜方能致遠，這是做學問的基本道理，至此我才真正心無旁騖，投入接下來的工作當中?！?/p>

從一名“初出茅廬”的學子，成為獨當一面、謀定而動的研究員，付玉喜在日本整整耕耘了9年。在此期間，他研發(fā)并產(chǎn)生了高能量、高峰值功率的中紅外波段超短飛秒激光源，在國際上引起了廣泛關注與高度肯定，首次突破了100毫焦、太瓦（TW，1TW=1012W）級別的超強中紅外飛秒光源。得益于這一創(chuàng)新工作，付玉喜一舉奪得了第二屆RIKEN梅峰獎（Baiho?Award）及第13屆大阪大學近藤獎（Kondo?Prize?of?Osaka?University）。

不僅如此，付玉喜團隊還成功開發(fā)出了太瓦量級的波長更長的中紅外超短飛秒光源，且提供并演示了如何精確鎖定高能量（TW，PW量級）和低重復頻率（10Hz或更低）光源載波包絡相位的方法。前者成果的學術論文被《應用物理快報》（Applied?Physics?Letters）評選為當期“編輯精選”文章，并在媒體上進行了廣泛宣傳，相關工作被日本理化學研究所視作一項重要研究成果，成功入選當年的“高亮研究（Research?highlight）”工作;后者則獲得了現(xiàn)有報道中同類超強激光最穩(wěn)定的載波包絡相位，標志著同類型研究的又一次進階。

雖然在日本的研究成果頻出，但付玉喜早已下定決心跳出“舒適圈”，主動求變，歸國發(fā)展。2019年10月，他正式加入中國科學院西安光學精密機械研究所，為下一個科研課題調(diào)整狀態(tài)、做好準備，“無論我在海外待了多少年，做了什么樣的研究，我都清楚我是會回來的，學到的知識要落在祖國大地上才算是學以致用”。

理想的坐標有多么清晰，前進的腳步就有多么堅定。歸國3年，付玉喜始終秉持“誠信科研、謙和為人”的態(tài)度，堅守在我國現(xiàn)代光學產(chǎn)業(yè)的建設之中，而他也并未放棄此前數(shù)年積累的科研資源，仍與日本理化學研究所保持著密切合作，積極開展交流活動，為團隊提供國際視野，與伙伴攜手共進以謀求更好發(fā)展。目前，他利用高能量紅外飛秒光源產(chǎn)生了高亮度、小型化秒和阿秒軟X射線等相干光源，利用高次諧波方法誕生出的軟X射線相干光源比國際上已報道的結果強近2個數(shù)量級以上，在對生命科學重要的“水窗波段”脈沖能量達到了幾個納焦耳。面對成績，付玉喜只是說：“能看到成果當然是好事情，但我做得還遠遠不夠。”

行而不輟?未來可期

初心如磐踐使命，砥礪奮進啟新程。在付玉喜的規(guī)劃中，下一步，他將目光聚焦在科研團隊的建設工作上。圍繞西安光機所的特色學科建設，面向國際超快科學研究的前沿，付玉喜協(xié)助所里于2021年5月組建了阿秒科學與技術中心，并出任常務副主任一職。中心以阿秒科學與技術為牽引，開展新一代先進超快激光技術和超快科學研究，致力于建設國際上最先進的、以阿秒時間分辨為突出特點的超快科學與技術研究高地，支撐研究所打造國際一流水平的超快學科方向。中心自成立以來，目前已從日本、美國、德國和匈牙利阿秒光源引進多位高層次海外人才，現(xiàn)有高級職稱研究人員11人，中級職稱研究人員2人，博士生導師7人，在學研究生近20人。但據(jù)付玉喜透露，未來，根據(jù)使命定位和發(fā)展規(guī)劃，中心將打造一支國際化的高水平固定研究人員隊伍。

面對隊伍建設與人才培養(yǎng)工作，付玉喜堅信團隊永遠是科研項目的基石，并發(fā)聲道：“只靠個人力量是不可能順利出成果的，只有團結所有能團結的力量，才可能攻克難關。另外，現(xiàn)在我也肩負著后備人才的培養(yǎng)工作，對于這一點，我深感光榮，同時也倍感壓力。截至目前，此項工作仍處在探索階段，但我清楚，征途漫漫，惟有奮斗?！彼沁@么說的，也是這么做的。2020與2022年，他在各方支持下，相繼推動召開了第四、第五屆光學青年科學家論壇，旨在為所有“年輕且聰明的大腦”提供交流、展示的平臺。

1阿秒究竟有多短？作為目前人類掌握的最小時間分辨尺度與單位，它小到超出人們的想象。在數(shù)字上，它相當于10-18秒;在表觀上，阿秒級的運動是絕對無法用肉眼看到的，但奇妙的是，微觀世界中，決定物質(zhì)基本性質(zhì)的阿秒量級電子運動就時時刻刻發(fā)生在每個人的身邊?！拔覀冃枰慌_‘超高速相機來記錄這些現(xiàn)象，才能進一步開拓發(fā)展，更加深刻地認知這個世界。毫無疑問，未來的光學領域仍大有可為?！备队裣舱f。目前，他帶領團隊已將阿秒技術應用于原子、分子、納米體系甚至固體中超快電子運動的測量和調(diào)控研究，為諸多潛在應用提供了可能性。未來，他表示將繼續(xù)秉持初心，和“光”同塵，與“時”偕行。

（責編：關弋）