以奮進鋒芒，見萬物之“光”
——記中國科學院上海光學精密機械研究所研究員張輝

鄭 心 衛婷婷

張輝

2023年4月20日，“2022中國光學十大進展”評選結果正式公布，中國科學院上海光學精密機械研究所（簡稱“上海光機所”）強場激光物理國家重點實驗室研究員張輝領銜的研究成果赫然在列。依托于上海超強超短激光實驗裝置（又名“羲和激光裝置”“SULF”)，他們在首輪磨合實驗中利用SULF-10PW激光轟擊微米金屬靶，在靶后法線鞘層加速機制下獲得了截止能量達62.5MeV的質子束。這一結果已達到國內領先水平，并進入國際前列。未來通過進一步優化，團隊有望獲得百MeV級的高能質子束，切實推動激光質子源在聚變能源、腫瘤治療等重要領域的應用。

當獲獎的消息第一時間傳回上海光機所時，張輝卻恍然未知，“當時我正在羲和激光裝置上開展激光打靶的相關實驗”。在他眼中，科研獎項或榮譽的取得從來都是成果的“附屬品”，“只要研究成果足夠值得推廣，或能切實推動行業發展，贊譽自然紛至沓來。不過即便如此，我的個人榮譽與成果落地的效用相比，分量也是微不足道的”。因此多年來，他一直埋首在強場激光物理的研究一線，即便手下“操控”著世界上“最快的刀”“最亮的光”，甚至連太陽都難出其鋒芒，他也甘當強光照射下站在“暗影”中的人?！案吣苜|子束的能量還有提升的空間”，驚喜過后，他很快便開啟了對自己接下來職業生涯的謀篇布局。

在勠力前行中錨定理想

“始于好奇，臻于志趣”，回頭看，張輝成長、求學、投身科研的人生過往篇章大致可凝練為這8個字。高中時期，理學學科的優異成績讓他萌發了一個繼續研學的目標，但理學專業分支眾多、覆蓋面極為廣泛，這時，自然科學的帶頭學科——研究大至宇宙，小至基本粒子等一切物質最基本運動形式和規律的物理學，以其深厚底蘊吸引著張輝的注意。于是，高二時，已經確定人生航向的他提前參加了高考，報考了中國科學技術大學少年班。盡管失之東隅，以僅十幾分的差距不幸落榜，但收之桑榆，他在理學方面的天賦展現為其后投身科研打下了堅實的基礎。

一年后，張輝在中國科學技術大學物理系揚帆逐夢。本科階段，激光驅動的慣性約束聚變相關知識令他著迷，這讓他對研習專業，即等離子體物理抱有持續且嚴謹認真的學習態度，不僅從未缺勤，還將課余時間大多花在教室與圖書館的“兩點一線”間。也正是這樣的刻苦鉆研，讓他得以認知到激光驅動慣性約束聚變的另一個重要研究方向——強場激光物理。這成為他奮斗至今的科研領域，也是他始終堅定的藍圖與理想。

20歲，當多數人還在對未來的迷茫中苦苦打轉、掙扎的時候，張輝已經開始跟隨李儒新院士在一系列重大科研項目中腳踏實地地積累和耕耘?！霸诒Ｑ械缴虾９鈾C所之前，我就知道這里有國內獨一無二的激光裝置和研究團隊”，從安徽到上海的“旅程”成為一位優秀青年科技工作者與優秀平臺之間的“雙向奔赴”。而對于導師李儒新院士的仰慕，張輝雖未過多宣之于口，但從其誠懇的神情與語氣中，還是不難讀出他對這位業界前輩工作態度及處世風度的推崇，以及立志將他作為追尋榜樣的堅定。

學貴得師，2014年，得益于李儒新院士的教誨與自身努力，尚在就讀研究生的張輝就創新性地提出并驗證了一種基于800nm飛秒激光驅動激波加速窄能散離子束的新方案。這極大地加強了他的科研自信，因此在成功拿到博士學位后，他并未選擇出訪海外開展博士后研究，而是堅定地留在了上海光機所就“800nm飛秒激光驅動激波加速”方案繼續深研。這一過程歷時兩年之久，其間充斥著荊棘與坎坷——幾乎沒有任何的經驗和技術做參考，還要獨立面對實驗需要的靶、探測器、監測等裝置的設計與搭建。2016年，他在前期方案的基礎上進一步提出了輻射壓加速和激波加速相結合的混合加速方案，從而獲得了高流強、窄能散的質子束，“正是之前的那些困境鍛造出了我的實驗能力”，他如此說。

羲和10PW物理實驗平臺驗收

2016年對張輝而言是極為重要且獨特的一個年頭，對上海光機所而言也一樣。自2015年起，在李儒新院士的運籌下，超強超短激光裝置開始在浦東地區部署。經過短短一年多時間，相關團隊就已將原本空空蕩蕩的實驗室成功改頭換面，建設起我國光學領域的大科學裝置，并在同年8月實現了5.4PW激光脈沖的放大輸出。對于這套超強超短激光實驗的國之重器，李儒新院士后來賦予了它一個詩意的名字——“羲和激光”。“羲和”是中國上古神話人物，傳說她生下了10個太陽，是締造光明的女神。而上海超強超短激光實驗裝置在2017年10月24日這一天率先實現了10PW激光的放大輸出，成功打破當年的世界紀錄。要知道，此級別的能量約等于全球電網平均功率的5000倍，它聚焦產生的光強相當于地球接收到的太陽總輻射聚焦到頭發絲大小對應光強的10倍，“羲和”之名也由此而生。可以說，上海光機所用現代科技詮釋出了國人心中亙古流長的美麗神話。隨著這一大科學裝置的各環節相繼竣工，浪漫逐步與科學融合，張輝的追“光”之旅，又迎來了全新的挑戰，從而翻開了極具創造性的科研新頁。

在國之重器上締造光明

“毫無疑問，大科學裝置將造就一批頂尖科學家。”這是李儒新院士對領域內人才輩出、薪火不息的美好期許，也是基于大科學裝置已展現出的優勢從而做出的未來預判。作為李儒新院士的親傳弟子，張輝表示，絕不敢妄自夸大稱自己已躋身“頂尖科學家”行列，但這確確實實是他畢生所追求的職業光點。不過，這條“科研功夫”的進階之路，他要靠的不是“名氣”，而是“實績”。正如同“2022十大光學進展”所表彰的62.5MeV質子束那樣，反復打磨、反復驗證，方能成器。

激光加速62.5MeV質子束是利用羲和10PW激光轟擊4μm的銅靶獲得的，起主導作用的靶后法線鞘層加速機制，更是張輝團隊通過不斷測試、精準優化激光參數（對比度、焦點、聚焦位置等）和靶參數（靶厚、靶材等）最終締結出的成果。據張輝介紹，用激光加速質子相比于與傳統的加速手段有3個顯著特點：一為超高的加速梯度，可有效提高3～4個數量級，有望實現加速器小型化；二是超短的脈沖寬度，能激發生物flash效應；最后當數超高的瞬時通量。“這種緊湊而迅疾的激光質子源在腫瘤治療和聚變能源等重要領域有廣泛的應用前景。目前，我們最耳熟能詳的應用應該是質子腫瘤治療，質子束傳輸存在獨特的布拉格峰，可以精準殺死癌細胞的同時保證正常細胞免受損害，被認為是效果最好的腫瘤治療手段之一，又稱‘質子刀’。激光驅動質子刀具有超高加速梯度和超快的特性，有望實現更低的治療成本和更好的療效。但是目前我們獲得的62.5MeV質子能量離質子治療腫瘤的200MeV還有一定的距離，需要我們繼續努力?！睆堓x寥寥幾句便概述了課題的“現在”與“未來”，這是在“過去”經驗基礎之上沉淀的真知灼見。

張輝算是羲和建成后，投身相關研究的首批研究人員。自2016年他便開始負責10PW物理實驗平臺（又名“SULF超快亞原子物理研究平臺”）的設計、建設和驗收工作。平臺建設對于推動光學發展的意義不言而喻，但對應的是，其中難度也超乎想象?！爱敿す膺_到10PW時，光束口徑會變得非常大，一度達到0.5m，如何在保證光束品質的前提下實現如此大口徑光束的傳輸和聚焦，在當時對我和團隊而言就是一個非常大的挑戰。”為此，張輝苦思冥想、夙興夜寐，最終在超大口徑及高面型精度的光學元件上找到了破題要義。在進行獨特的設計加工后，為進一步實現激光束的傳輸和聚焦，他們還配備安裝了高精度調節的真空鏡架等元件。而到了探測方面，如何衡量百MeV質子束，又成了一個避無可避的關卡。這一次，張輝及團隊都顯得更加從容不迫，在項目的實施過程中設計并加工了RCF堆棧和高性能湯姆遜譜儀，采用兩者相結合的方法解決了這一難點?！暗容^棘手的問題其實是在驗收階段，”張輝回憶道，“剛開始進行打靶實驗無法觀測到較強的質子信號，我們排查了很多原因，從靶場開始一路向上最終到激光器前端，才發現在主激光到達前有一串較強的預脈沖，我們將此預脈沖隔離后，激光加速質子能量就獲得了明顯提升?！?/p>

如今，作為羲和裝置的3個實驗研究平臺之一，10PW物理實驗平臺主要用于開展羲和10PW激光與物質相互作用的研究，并在2020年完成了驗收，成為國際上第一個10PW級物理實驗平臺。對于這個耗費了巨大心力的杰作，張輝不無驕傲。而后，依托此平臺，他又帶領團隊先后承擔了中國科學院戰略性先導科技專項資助課題（簡稱“中國科學院先導專項”）與極端光物理線站等科研任務。

在中國科學院先導專項中，張輝團隊面對的是激光驅動聚變反應和新物質產生等重要目標，具體而言就是激光加速高能和高效的質子束。高能量質子束自不必說，利用羲和激光在靶后法線鞘層加速機制下獲得的62.5M e V高能質子束已經交上了完滿答卷，躋身國際前列；而在高效率質子束方面，他們同樣頗有建樹。張輝首次利用3D打印微結構靶實現高效質子加速，微結構激發的直接加速機制，能夠突破有質動力加速的定標率，實現高效加速?！拔覀兝梦⒔z陣列靶獲得了8.7%的能量轉化效率，同樣達到國際領先水平?！睉{借系列成果，張輝獲得了“上海市啟明星”等榮譽稱號，但相比欣喜，他更多感到的是獎項帶來的激勵，“決不能抱著獎項裹足不前”是他的態度，“開啟新的、有挑戰的工作”則是他的行動。

當前，基于啁啾脈沖放大（CPA）技術，超強超短激光裝置的峰值功率早已不滿足于10PW，100PW量級激光裝置的建設及其前沿應用逐步成為業界為之傾目的國際研究熱點。上海光機所作為國內光學領域的代表，自然不能“掉隊”，迅速建立起了“SHINE-SEL”項目，張輝作為關鍵系統負責人參與其中?！癝EL是全球唯一在建的百拍瓦級激光物理實驗裝置，立項的重要科學目標包括激光加速GeV質子束。我當下正在主持SEL靶場光學系統的構建，這一系統的主要難點在于兩處，一是要把激光聚焦到足夠小，另一個是聚光的橫向抖動要足夠小。但關關難過關關過，我們現在已經完成了方案設計，通過了方案評審，下一步將計劃招標采購，奮力完成系統搭建?！睆堓x對于未來的每一步，心中十分清明，正如對激光質子束的推廣計劃構想一樣，抱負遠大又腳踏實地。

“激光質子加速領域面臨的主要問題還是質子束的品質尚未達到實際應用需求，單說距離腫瘤治療所需的200MeV質子能量，就還有很大差距。但這個推廣方向是絕對正確的，激光質子源的超高加速梯度和超快特性，極大概率可能在未來幫助患者實現‘魚與熊掌兼得’，用更低的治療成本獲取更好的療效。每當聽到現在傳統加速器的高昂腫瘤治療費用，我都覺得是對自己的一記鞭策。”也因此，張輝在團隊內部制訂了就激光加速高品質質子源及應用研究的深入計劃，立志突破100 MeV質子能量的發展瓶頸。

所幸，隊內全員一心、自由活潑的學術氛圍讓張輝極為心安。這支由1名研究員、2名博士后、5名研究生組成的小團隊，平均年齡也不過30歲，無疑是一支年輕有活力的潛力團隊，是賡續光學基因的新鮮血液。據張輝描述，團隊成員平時待在一起的時間很長，幾乎每一次激光質子加速實驗都是全員上陣，大家可以在任意環節、任意時間恣意發揮自身優勢、發表自己觀點，即便有爭論也僅限學術層面。“而有此凝聚力的核心因素在于，我們有著共同的科研理想：勠力同心提升我國激光質子源方面的國際競爭力，聚力開拓激光質子源的應用場景，讓幾倍于太陽的光輝走下神壇，令萬物向‘光’生長?！睆堓x說。