追求超快超強事業的激光研究團隊——記中國科學院物理研究所光物理重點實驗室魏志義研究員及其團隊

本刊記者 胡 敬

“我們的工作是不斷追求極限的過程。”采訪中魏志義研究員調侃說。的確如此，他們研究的飛秒（fs）激光僅有千萬億分之一秒，光在這樣快的時間里飛過的距離還不到我們發絲直徑的百分之一；他們從事的太瓦（TW）激光強達萬億瓦，瞬間釋放出的功率比全世界所有發電廠的發電功率總和還要高。從他1996年在荷蘭工作期間利用新技術方案產生小于5fs的激光脈沖，打破美國科學家保持了十年之久的世界記錄，到建成先進的阿秒（千分之一飛秒）激光裝置；從發明新的飛秒激光同步方法、實現新的光學頻率梳，到采用多項創新單元技術，相繼研制成功峰值功率大于1TW、20TW和1PW（一千太瓦）的臺面超強激光裝置；魏志義研究員和其團隊一直沖刺著激光技術的“百米”極限。——這是一位在默默耕耘中攀登科學尖峰的學者，也是一位在國際賽場上追逐超快超強事業的領軍人物。但采訪他卻非常不容易，最后答應的“條件”是要采訪就采訪他的同事，要介紹就介紹他們的研究團隊。

上篇： 逐夢極限，勇攀高峰

魏志義研究員自1984年從研究生學習階段開始超快激光研究至今，一干就是二十余年，也算得上是一位“資深”的激光技術專家了。1997年他回國加入中國科學院物理研究所后，從白手起家起步，又相繼開展了飛秒激光產生、放大、同步、頻率變換、脈沖壓縮及相位控制等研究，經過多年不斷的技術創新，已取得一系列具有國際影響力的學術成就。

“極光”系列超強飛秒激光裝置

飛秒激光由于極短的脈沖寬度，對應著極高的峰值功率。進一步放大飛秒激光的能量，就成了具有超高峰值功率的超強激光，這時其作為電磁波屬性的電場強度，將遠遠大于原子中的庫倫場強度，由此就可以用該激光開展所謂的“強場激光物理”、“高能量密度物理”、“激光聚變”等前沿研究。針對這些研究的需要，魏志義研究員與他的同事和學生們通過采用系列創新的單元技術及發明專利，先后研制成功峰值功率大于1TW、20TW及700TW的系列超強飛秒鈦寶石激光裝置，由于該激光極短的脈寬、極高的峰值功率、極強的電場及與物質相互作用后所產生的極端物理現象等特性，因此也就命名為“極光”裝置。這些裝置除了為許多前沿研究提供先進的實驗平臺外，還進一步設計開發出綜合性能優良的系列高端激光產品提供國內外多家用戶，不僅打破了西方國家在超快超強激光產品方面對國際市場的壟斷，而且也取得多項應用成果，體現出良好的社會效益。

近兩年來，魏志義研究員又帶領其研究小組在利用所提出的新方法成功實現這類激光高對比度結果的基礎上，通過解決系列技術創造了峰值功率1.16PW的同類研究世界紀錄，相關工作在國際光學領域最頂級的學術雜志Optics Letter（光學快報）上發表后，引起國際同行的高度關注，成為美國光學學會公布的當月下載最多的論文之一，并先后在CLEO、ALPS、Ultrafast Optics等多個國際會議上做邀請報告。該研究成果已于2012年4月通過鑒定，鑒定結論認為“研究方案具有創新性，高對比度下的輸出功率等主要結果超過了國際已報道的同類研究的世界紀錄”。配合本所及北京大學等單位的應用研究，該激光裝置不僅實現了電子加速，而且也在國內首次實現了質子加速，得到了能量多MeV的高能質子。

同步鎖模激光

飛秒激光同步要求不同飛秒激光器要步調一致的工作，多臺激光“合作”才能發揮更大的作用。在這一前沿研究方面，魏志義研究員首次提出了分離增益介質與同步耦合介質的創新被動同步原理，將同步飛秒激光的精度、功能及輸出指標推進到了新的國際水平；并基于該類方案首次實現了不同飛秒激光的同步及該激光載波包絡相位（CEP）的測量與鎖定。前一個工作被Optics Letter審稿人評價為“提出了一個創新的思想”并“開拓了傅立葉合成單周期激光脈沖的途徑”，后續的工作被評為“英雄式的實驗”和“一個創新的同步方案”。在進一步開發的產品器件中，已成功用于量子保密通訊等研究。在此基礎上，魏志義研究員指導研究生又研制成功可進一步適用于任意超短脈沖激光的同步系統，所開發的產品器件已在多家研究單位取得成功應用。

新型光學頻率梳

對飛秒激光CEP的鎖定，導致了光學頻率梳的發明，美國科學家J.Hall和德國科學家T.W.H?nsch因該項發明及其在頻率測量中的工作，而獲得2005年諾貝爾物理獎。2001年魏志義研究員在日本進行飛秒激光同步及CEP鎖定的訪問研究中，注意到飛秒頻率梳的重要意義，回國馬上開展該項研究，并得到基金委項目及中國科學院的經費支持。在與同事和學生建成國內最早頻率梳的基礎上，針對常規光學頻率梳技術的不足，利用他們研制成功的亞10fs鈦寶石激光振蕩器, 巧妙地提出了基于自差頻技術的一種創新方案。通過對激光CEP的測量和控制，研制成功綜合性能與參數優于傳統方案的新型光學頻率梳，并成功用于幾個研究單位的頻率與長度測量的實驗中，將常規光學頻率梳僅能工作1小時左右的維持時間，提高到了9小時以上。由于他們在該研究方面取得成果的意義，受邀為Intech出版公司的Advanced Laser一書撰寫一章光學頻率梳的內容；王大珩院士在2004年寫給科技部關于光學頻率梳研究發展的信中，也曾專門提到魏志義研究員等人的工作。

阿秒激光脈沖研究

比飛秒更快的激光脈沖是阿秒，在追求這一極限的攻關中，魏志義研究員及其團隊首先擴展了他在荷蘭的研究成果，通過新的腔外壓縮技術得到了最短脈寬僅3.8fs、單脈沖能量大于0.4mJ的周期量級激光脈沖，這也是迄今國內所能產生的最短脈沖；在此基礎上通過自行設計建成的光譜干涉系統及計算機反饋控制單元，實現了對飛秒放大激光CEP的長期高精度可靠鎖定。隨后，他們用該激光驅動特殊的氣體，產生了連續的X射線阿秒高次諧波，率先在國內用自建的阿秒條紋相機測量到了單個阿秒激光脈沖。在該研究方面，從2008年起魏志義研究員連續擔任兩年一次的國際阿秒激光會議國際委員會的成員，此外也被選為馬普阿秒激光中心的主要成員，最近獲得基金委國際重大合作項目的資助。

全固態鎖模激光研究

超短脈沖激光雖然高端前沿，但由于昂貴的成本和復雜的技術，多年來僅是一些特殊實驗室才有的“富人游戲”。針對廣泛的應用需要，魏志義研究員帶領研究組從2005年開始系統開展了新型全固態鎖模激光的研究，并與國內外相關單位合作，先后實現了Nd:GdVO4、Nd:LuVO4等激光的皮秒鎖模及Yb:YAG、Yb:GYSO等激光的飛秒鎖模，取得多項國際首次性的成果，有效地推動了超短脈沖激光的小型化、實用化發展。作為通訊作者，上述工作僅在Optics Letter雜志上就發表論文10余篇，并應邀為國際科學著作出版社撰寫該研究的專門章節。

中篇： 追求卓越，不甘平庸

“九尺之臺，起于壘土”，今天的科研成就固然與他們高深的學術造詣及豐富的經驗積累分不開，但更多的也是辛勤勞動的結果。有這樣一句話，“成功總是偏愛有準備的頭腦”，同事們談起他們的“老板”，學生們談起他們的導師，不僅充滿對他學術思維與實驗能力的敬佩，也充滿對他的“同情”與“關心”，因為他基本上是全所晚上回家最晚、周末加班最多的人之一。談起這一點，魏志義研究員有他的觀點：在這個科技快速發展、信息日新月異的時代，不努力很快就會落后，沉浸自己喜歡的研究工作、鉆研感興趣的科技文獻，本身也是一種休息，而且也是陶冶情操。他相信許多科學家即使在家里，同樣也會繼續著每天的研究與學習。他也調侃道，“在物理所這個各路高手云集、名門出身薈萃的科學殿堂，他這個“平民”出身的“打工者”也應該付出比常人更多的努力”，“自己現在還不算太老，多為研究組打點基礎，也就更有利于年輕人的發展與成長”。

從我們多次要求采訪及與同事的了解，盡管他一再謙虛低調，并沒有掩蓋他閃亮的人生軌跡。中學時期的他，幸運趕上文革后首次中考，以全縣第一名考取高中后，成績一直遙遙領先，雖然兩年后以全縣唯一高于400分的成績名列全省高考分數前茅，但由于招生中的失誤他卻被并未報名的合肥工業大學搶招，雖然后來證明他的成績足夠北京大學等名校的錄取線，但他不氣餒、不灰心，很快就喜歡上了那所風景美麗的全國重點大學，經過充實的學習，四年后順利考取中國科學院西安光機所研究生，師從我國著名瞬態光學專家侯洵院士。從那時開始，置身于科學殿堂的他不斷追求卓越，勇于進取，博士畢業時不僅用倍頻Nd:YAG激光取得高達5W的連續綠光功率，而且用其泵浦液體染料激光得到了59fs國際同類研究的最好結果。

1991年4月，魏志義博士畢業后來到中山大學做博士后，在當時國內該研究領域唯一的國家重點實驗室——超快速激光光譜學國家重點實驗室繼續開展連續波倍頻Nd:YAG激光、多波長連續固體激光及飛秒鎖模激光的研究，所研制的高功率綠光激光器被多次用于大型布景活動中。1993年4月博士后出站后，實驗室先后派他到英國盧瑟福實驗室、香港中文大學、香港科技大學等地合作訪問，進行飛秒激光產生、放大、超快現象測量等研究。特別幸運的是1996年他利用在荷蘭工作訪問的機會，進行了飛秒激光壓縮這一沖擊世界紀錄的工作。盡管該實驗室曾于1993年獲得過7.5fs最接近世界紀錄的結果，但由于挑戰極限的難度，幾年來一直徘徊不前。魏志義到該實驗室后，首先恢復了該研究工作，并利用他進行過的熒光和頻經驗，成功測量了限制脈寬最主要的物理量“啁啾”，在此基礎上與同事一起，通過測量到的啁啾量優化設計系統參數及實驗調試，終于產生了小于5fs的激光脈沖，從而打破了美國科學家保持十年之久的世界記錄。這些經歷為他日后的工作打下了堅定的基礎。

1997年，在當時任職于英國盧瑟福實驗室的國際著名激光物理學者張杰教授的邀請及推薦下，魏志義先期來到物理所，配合張杰教授開始了新的創業，他們從建設實驗室開始，到組建人才隊伍，發展實驗裝置，一路走來可以說艱辛無數。但困難阻止不了他們對于這一前沿激光研究的追求，在物理所領導、中國科學院、基金委及863高技術項目等支持下，魏志義很快找到了自己新的用武之地，從設計飛秒激光振蕩器開始，歷經兩年多的時間，研制成功峰值功率1.4TW的極光I號裝置，鑒定會上得到光學泰斗王大珩及多位院士專家的好評。談起這段經歷，魏志義說張杰院士是在他學術生涯中最應該感謝的人之一，雖然由于研究隊伍的發展后來他又組建了專門致力于超快激光的新研究組，張杰院士也到上海任職，但追溯團隊的發展，張杰院士無疑是重要的奠基人。

物理所良好的科研環境，為他們追求卓越提供了肥沃的土壤，多年來，魏志義研究員先后主持了并順利完成了國家自然科學基金重大項目、基金委儀器研制項目、中國科學院重大儀器設備研制項目、中國科學院知識創新工程重要方向性項目、科技部科學平臺等項目的研究；曾任863慣性約束激光聚變專題專家組成員、神光III前端責任專家組成員、中國科學院物理研究所光物理重點實驗室常務副主任，現任中國光學學會理事、中國計量測試學會理事、北京光學學會理事、中國科學院物理研究所學術委員會委員、計量測試高技術聯合實驗室主任，國家某重大專項學術委員會委員，國際國際純粹和應用物理委員會常數物理名詞第二專業委員會委員，英國Measurement Science and Technology雜志International Advisory Board成員等職。而且也任實驗室黨支部書記，并獲得優秀黨員稱號。

記者通過同事得知，魏志義研究員不僅學術思想活躍、實驗技術精湛，而且熱心奉獻、性格謙和，善于在合作中尋求創新。由于他扎實的功底和勤奮的工作作風，在僅到物理所兩年左右的時間里，就被評為優秀科技青年并晉升研究員，曾是光物理實驗室最年青的副研究員和研究員。由于他在飛秒激光技術多個方面的成就，現已成為該領域我國最有影響的年青科技工作者之一，并在國際上具有較為廣泛的知名度，為我國超短脈沖激光技術的研究、發展和工程應用作出了積極的貢獻。他曾于2001年獲得中國科學院青年科學家獎、2002年獲得國家杰出青年基金、2011年獲得胡剛復物理獎。先后作為第一完成人獲得中國科學院科技進步獎一次、軍隊科技進步獎一次及北京市科技進步獎兩次；也作為主要成員獲得國家自然科學二等獎、中國科學院杰出科研成就集體獎、中國科學院科技進步獎及軍隊科技進步獎各一次。已在Physics Review Letters，Optics Letters、《中國科學》等雜志上發表論文200余篇，2011年檢索被SCI論文他引1052次。迄今取得授權發明專利10余項，在國際會議上作邀請報告40多次，2007年10月在Nature Photonics的一篇綜合報導中，多處提到魏志義研究員及團隊的工作。他們的上述成果由于重要的應用，多項已實現了產品轉化，作為綜合性能先進的系統激光產品，已在多家同行單位中取得重要應用成果，最近又成功得到科技部國家重大科學儀器開發專項的立項支持。盡管他說自己出身“平門”，“成長”中又飽受各種各樣的挫折，但面對打擊不消沉、遇到挫折不氣餒，也許正是他這種對熱愛的事業持之以恒的性格，使他的事業同樣輝煌、人生同樣閃亮。就在筆者采訪他的這段時間，他收到歐盟瑪麗居里ATTOFEL子項目的邀請，為將于意大利舉行的“選擇你的未來(Choosing Your Future)”的研究生冬令營做報告，結合自己的學術之路給研究生講授擇業創業的體會和建議。

下篇： 齊心協力，共創輝煌

采訪中魏志義研究員高興地談到，他最為自豪和欣慰的就是有一支精業、努力、團結的研究團隊，目前他的研究團隊有正式研究人員6人，在讀研究生15人，已培養畢業的近20位研究生雖然有的在科研單位、有的在高技術公司、有的在國外深造，但都在相關的研究領域與部門作為骨干從事著重要的研究工作。由于研究團隊在同行中的影響，每年也吸引了一些其他單位的優秀研究生來到研究組開展合作研究。正是依靠同事及研究生的共同努力，因此研究組才能在超快超強激光的多個研究方面不斷取得持續深入的創新進展。

滕浩副研究員是張杰院士與魏志義研究員最早共同指導的研究生之一，他在美國、英國訪問研究幾年后，受團隊正在開展工作的吸引，毅然“回家”繼續高次諧波與阿秒激光脈沖的研究，設計建成精致先進的實驗系統。賀新奎副研究員是物理所從瑞典引進的國外杰出人才，在基于固體靶的稀薄等離子體中高次諧波和阿秒脈沖的產生研究中多有建樹。目前他倆主要負責著高次諧波及高通量阿秒激光的產生與應用研究，雖然這是研究組最具有挑戰性的研究工作，但基于他們嫻熟的實驗動手能力與扎實深厚的專業知識，不僅觀察到以前沒有看到過的高次諧波新現象，而且也第一次在國內測量到了阿秒激光脈沖，并正在積極準備阿秒激光應用這一在時間范疇最前沿的研究。

在“極光”系列激光裝置研究中，王兆華副研究員作為主要人員參與進行了“極光II”及“極光III”飛秒超強激光裝置的研究工作，并建成了三階相關儀、頻率分辨光學門（FROG）、自參考光譜位相測量儀（SPIDER）等多臺先進的飛秒激光脈沖測量儀器，系統開展了國內最早的飛秒激光波前校正的研究，近年專門開展了提高飛秒放大激光對比度的研究，正是由于他創新而扎實的系列貢獻，研究組創造了高對比度的1.16PW世界紀錄。

在飛秒激光頻率梳及相關的精密物理測量研究中，韓海年副研究員從2003年博士研究生開始就投入其中，具體建造調試成功綜合性能領先常規方案的單塊光學頻率梳，并在與有關應用單位的合作測量研究中取得成功應用。該工作于2009年被選為中國光學重要成就之一。此外，她參與完成的《低增益區飛秒鈦寶石振蕩器》獲得中科院科技進步二等獎，《高精度同步飛秒激光器》獲北京市科技進步三等獎。目前她作為國家重點基礎研究項目（973項目）的課題負責人，正在進行著新型光學頻率梳的發展與應用研究。

李德華是1986年大學畢業后來物理研究所工作的“老”職工了，作為組里唯一的高級工程師，他技術全面，熱心助人。曾多次被評為物理所的優秀科技青年，并在德國開展訪問研究。近年來他積極開展全固態激光及激光穩頻等工作的研究，具有非常豐富的實際經驗，作為主要人員曾在國內率先研制成功1W功率的全固態連續473nm藍光激光器，并參與研究了碘穩定的532nm全固態激光器、倍頻藍綠激光器噪聲壓縮、無動鏡傅里葉變換光譜儀和雙頻激光干涉儀的研制及測控軟件的編制開發。實驗室的日常事務，大都離不開他提供的保障。

在今天的科研環境下，交流合作、協同研究是科研學者不可缺少的重要素質，正如他們研究的高精度同步飛秒激光一樣，團隊合作是產生創新突破的必要條件。魏志義研究員坦言，他幸運的是就有這樣一支團隊，盡管他們個人與許多杰出的才俊們相比可能有很大的差距，但是每個人作為團隊的一員，相互“相干”、“同步”，就能向飛秒激光一樣，產生強大的作用。筆者相信，魏志義研究員和他的研究團隊一起，在追求“超快超強”的科學道路上，必將摘取更多燦爛的果實。