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高端访谈

付玉喜:点亮微观世界“最快的光”

激光制造网 来源:科学中国人2022-09-23 我要评论(0 )   

激光是20世纪以来继核能、电脑、半导体之后,人类的又一重大发明。它从诞生起便被冠以“最快的刀”“最准的尺”“最亮的光”之名。其原理早在1916年就已被著名物理学家...

激光是20世纪以来继核能、电脑、半导体之后,人类的又一重大发明。它从诞生起便被冠以“最快的刀”“最准的尺”“最亮的光”之名。其原理早在1916年就已被著名物理学家爱因斯坦发现,但直到1960年才被首次成功制造。

可以说,激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的。因此它一问世,就获得了异乎寻常的飞快发展,不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生,而且催生了一种全新光学技术手段——激光脉冲的出现。

激光脉冲指激光定向发光,大量光子集中在一个极小的时间范围内射出的现象,其波长具有一定的范围分布。目前,激光脉冲技术持续发展,脉冲宽度已经进入了超短的飞秒(10-15秒)甚至阿秒(10-18秒)的时间尺度。脉冲宽度越短,具有越“快”的“拍照”能力。

我国一直十分重视发展此类激光技术的推进。西安光学精密机械研究所(简称“西安光机所”)便是被国家赋予重任的业内“领跑者”之一。它不仅承建了我国早期设立的国家重点实验室之一(瞬态光学与光子技术国家重点实验室),还伴随着国家在飞秒技术领域的发展项目历练,如今在阿秒光源领域颇有建树。

依托于优秀平台,阿秒科学与技术中心常务副主任付玉喜对未来超快超短激光与阿秒光源的发展前景看法十分乐观:“虽然我国在此研究领域的起步时间并不算早,但如今有这么多优秀的同仁勠力同心,相关技术必将云程发轫,万里可期。”他坚定道。

▲付玉喜在延安革命基地留影

行程万里,热爱如一

2001年,同济大学应用物理专业实验课堂之上出现的“光镊”这一知识点深深吸引着付玉喜,他直言自己能与光学研究结缘,完全是出于对它的好奇与向往。

20世纪60年代,当激光作为具有极高亮度的相干光源出现时,光压的研究发生了革命性的变化。1970年,美国贝尔(Bell)实验室的阿斯金(Ashkin)等人首次在实验上利用相向传播的两束高斯光束捕获了在水中的二氧化硅微球,证明了激光对微粒的散射力;1986年,其团队又利用经高数值孔径聚焦的单束激光实现了对电介质微球的三维捕获,这一成果标志着光镊技术的诞生,这在当时曾引起学术界广泛关注与讨论。

光镊的发明为人类研究微观尺度里的相互作用、深入理解微观世界提供了强有力的工具。因为在微观尺度的研究中,除了“看得清”,还需要“摸得着”,而光镊就是那只“摸得着”微观粒子的“手”,它可以夹持住微粒并控制微粒的移动与旋转。但光镊又不同于一般的“镊子”,由于其本质上是利用光去操控微粒,因此具有无机械接触和低损伤的特点,只要选择合适的低吸收波长,特别是近红外波段,光镊对生物组织的热损伤几乎可以忽略不计,非常适合应用于有关生命科学的研究。

当此类概念还未清晰地根植于付玉喜脑海中时,他只是感慨于这种以光操控粒子的行为“简直太神奇了!”从此,“激光”便在他脑海里打下了深深的烙印。

怀揣一颗求索之心,他前往中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室攻读了光学专业的博士研究生,从事光学领域中的前沿部分——超短脉冲激光技术与阿秒光源研究。

众所周知,物质是由原子、分子、电子等微观粒子组成的。物质的宏观性质往往取决于构成它的微观粒子种类、结构及运动状态。也就是说,当微观粒子运动状态发生改变,物质的微观结构便会随之而改变,于是物质的宏观性质在极大概率上也会发生相应改变,这恰恰印证了一句科研界广为流传的谚语:“结构决定性质。”

所以,要研究构成物质微观粒子的动力学行为,探索对这些动力学行为进行超高时间分辨率的测量和控制方法,才能实现对与之相关的物理、化学、生物等宏观物性的理解、应用和控制,这是当今光学研究中重要的基础内容,也是“超快科学”存在的基本意义。

在程亚研究员与徐至展院士的共同指导下,付玉喜从博士阶段起便开始参与到具体的研究项目之中。

5年的时间里,他出色完成了“飞秒激光成丝研究”与“利用红外飞秒光源开展高次谐波实验”:前者用简单的相位板成功将飞秒激光在空气中的成丝延长了几倍之多,为飞秒激光遥感及飞秒激光传输提供了一定的理论基础;后者成功证明了长波长激光驱动光源更有利于产生高光子能量的谐波。除此之外,团队还齐心开发了“水窗”波段的软X射线光源,为推动我国激光装置向着“更快、更准、更强”的目标前进,提供了新的可能。

▲付玉喜调试激光器


准确识变,主动求变

即便求学时所接触的科研工作已经足够出色,但付玉喜对自己的要求还远未止步于此。在开展博士后研究工作前夕,他开始深刻审视自身仍存的知识局限及科研视野问题。经过一番深思熟虑,在导师的推荐下,他决定前往日本理化学研究所(RIKEN)汲取经验,进一步挖掘主研领域学问的深度。

初至陌生环境,总难免要克服许多困难,生活如是,科研也如是。“虽然不用费太多精力来倒时差,但是我的生活和工作,在踏上异国土地的数月之中,基本是一片‘百废待兴’的状态。”付玉喜调侃道。

在面对首个由他主持的大型科研项目“红外飞秒光源开发及应用”时,他直言自己当初有些焦虑,“我真的是完全从头开始摸索,中间有很多关键的技术问题亟待突破。”

“艰难险阻在前,却无法轻易改变”的压力一度让付玉喜难以静下心,“由于激光在远距离传播时,指向性会有不稳定的情况产生,我们为此致力于探究激光锁定的问题。但所需设备需要进行一些比较精细的电路修改,需要反反复复地与工厂讨论、沟通,这就要花费不少时间,我心里不免会有些焦急。这时我注意到实验室中有一位前辈,他的实验工具,从电路焊接到镜架切割加工,全部都是由他亲手完成,数十年如一日坚持如此。要知道,制作精密仪器的步骤是非常烦琐的,这种‘匠人精神’给了我极深刻的启示与感悟,我意识到急则生乱,静方能致远,这是做学问的基本道理,至此我才真正心无旁骛,投入接下来的工作当中。”

从一名“初出茅庐”的学子,成为独当一面、谋定而动的研究员,付玉喜在日本整整耕耘了9年。在此期间,他研发并产生了高能量、高峰值功率的中红外波段超短飞秒激光源,在国际上引起了广泛关注与高度肯定,首次突破了100毫焦、太瓦(TW,1TW=1012W)级别的超强中红外飞秒光源。得益于这一创新工作,付玉喜一举夺得了第二届RIKEN梅峰奖(Baiho Award)及第13届大阪大学近藤奖(Kondo Prize of Osaka University)。 

不仅如此,付玉喜团队还成功开发出了太瓦量级的波长更长的中红外超短飞秒光源,且提供并演示了如何精确锁定高能量(TW,PW量级)和低重复频率(10Hz或更低)光源载波包络相位的方法。前者成果的学术论文被《应用物理快报》(Applied Physics Letters)评选为当期“编辑精选”文章,并在媒体上进行了广泛宣传,相关工作被日本理化学研究所视作一项重要研究成果,成功入选当年的“高亮研究(Research highlight)”工作;后者则获得了现有报道中同类超强激光最稳定的载波包络相位,标志着同类型研究的又一次进阶。

虽然在日本的研究成果频出,但付玉喜早已下定决心跳出“舒适圈”,主动求变,归国发展。2019年10月,他正式加入中国科学院西安光学精密机械研究所,为下一个科研课题调整状态、做好准备,“无论我在海外待了多少年,做了什么样的研究,我都清楚我是会回来的,学到的知识要落在祖国大地上才算是学以致用”。

理想的坐标有多么清晰,前进的脚步就有多么坚定。归国3年,付玉喜始终秉持“诚信科研、谦和为人”的态度,坚守在我国现代光学产业的建设之中,而他也并未放弃此前数年积累的科研资源,仍与日本理化学研究所保持着密切合作,积极开展交流活动,为团队提供国际视野,与伙伴携手共进以谋求更好发展。

目前,他利用高能量红外飞秒光源产生了高亮度、小型化秒和阿秒软X射线等相干光源,利用高次谐波方法诞生出的软X射线相干光源比国际上已报道的结果强近2个数量级以上,在对生命科学重要的“水窗波段”脉冲能量达到了几个纳焦耳。

面对成绩,付玉喜只是说:“能看到成果当然是好事情,但我做得还远远不够。”

▲付玉喜(右)在实验室讨论研究


行而不辍,未来可期

初心如磐践使命,砥砺奋进启新程。在付玉喜的规划中,下一步,他将目光聚焦在科研团队的建设工作上。围绕西安光机所的特色学科建设,面向国际超快科学研究的前沿,付玉喜协助所里于2021年5月组建了阿秒科学与技术中心,并出任常务副主任一职。

中心以阿秒科学与技术为牵引,开展新一代先进超快激光技术和超快科学研究,致力于建设国际上最先进的、以阿秒时间分辨为突出特点的超快科学与技术研究高地,支撑研究所打造国际一流水平的超快学科方向。中心自成立以来,已从日本、美国、德国和匈牙利阿秒光源引进多位高层次海外人才,现有高级职称研究人员11人,中级职称研究人员2人,博士生导师7人,在学研究生近20人。

据付玉喜透露,未来,根据使命定位和发展规划,中心将打造一支国际化的高水平固定研究人员队伍。

面对队伍建设与人才培养工作,付玉喜坚信团队永远是科研项目的基石,并发声道:“只靠个人力量是不可能顺利出成果的,只有团结所有能团结的力量,才可能攻克难关。另外,现在我也肩负着后备人才的培养工作,对于这一点,我深感光荣,同时也倍感压力。截至目前,此项工作仍处在探索阶段,但我清楚,征途漫漫,惟有奋斗。”

他是这么说的,也是这么做的。2020与2022年,他在各方支持下,相继推动召开了第四、第五届光学青年科学家论坛,旨在为所有“年轻且聪明的大脑”提供交流、展示的平台。

1阿秒究竟有多短?作为目前人类掌握的最小时间分辨尺度与单位,它小到超出人们的想象。在数字上,它相当于10-18秒;在表观上,阿秒级的运动是绝对无法用肉眼看到的,但奇妙的是,微观世界中,决定物质基本性质的阿秒量级电子运动就时时刻刻发生在每个人的身边。

“我们需要一台‘超高速相机’来记录这些现象,才能进一步开拓发展,更加深刻地认知这个世界。毫无疑问,未来的光学领域仍大有可为。”付玉喜说。

目前,他带领团队已将阿秒技术应用于原子、分子、纳米体系甚至固体中超快电子运动的测量和调控研究,为诸多潜在应用提供了可能性。未来,他表示将继续秉持初心,和“光”同尘,与“时”偕行。

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