肖貞林

激光是20世紀(jì)以來繼核能、電腦、半導(dǎo)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(zhǔn)的尺”“最亮的光”之名。其原理早在1916年就已被著名物理學(xué)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(zhǔn)備和生產(chǎn)實(shí)踐迫切需要的背景下應(yīng)運(yùn)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(xué)科學(xué)和光學(xué)技術(shù)獲得了新生，而且催生了一種全新光學(xué)技術(shù)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(gè)極小的時(shí)間范圍內(nèi)射出的現(xiàn)象，其波長(zhǎng)具有一定的范圍分布。目前，激光脈沖技術(shù)持續(xù)發(fā)展，脈沖寬度已經(jīng)進(jìn)入了超短的飛秒（10-15秒）甚至阿秒（10-18秒）的時(shí)間尺度。脈沖寬度越短，具有越“快”的“拍照”能力。

我國(guó)一直十分重視發(fā)展此類激光技術(shù)的推進(jìn)。西安光學(xué)精密機(jī)械研究所（簡(jiǎn)稱“西安光機(jī)所”）便是被國(guó)家賦予重任的業(yè)內(nèi)“領(lǐng)跑者”之一。它不僅承建了我國(guó)早期設(shè)立的國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室之一（瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），還伴隨著國(guó)家在飛秒技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展項(xiàng)目歷練，如今在阿秒光源領(lǐng)域頗有建樹。依托于優(yōu)秀平臺(tái)，阿秒科學(xué)與技術(shù)中心常務(wù)副主任付玉喜對(duì)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(guó)在此研究領(lǐng)域的起步時(shí)間并不算早，但如今有這么多優(yōu)秀的同仁勠力同心，相關(guān)技術(shù)必將云程發(fā)軔，萬里可期?！彼麍?jiān)定道。

行程萬里?熱愛如一

2001年，同濟(jì)大學(xué)應(yīng)用物理專業(yè)實(shí)驗(yàn)課堂之上出現(xiàn)的“光鑷”這一知識(shí)點(diǎn)深深吸引著付玉喜，他直言自己能與光學(xué)研究結(jié)緣，完全是出于對(duì)它的好奇與向往。

20世紀(jì)60年代，當(dāng)激光作為具有極高亮度的相干光源出現(xiàn)時(shí)，光壓的研究發(fā)生了革命性的變化。1970年，美國(guó)貝爾（Bell）實(shí)驗(yàn)室的阿斯金（Ashkin）等人首次在實(shí)驗(yàn)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(duì)微粒的散射力;1986年，其團(tuán)隊(duì)又利用經(jīng)高數(shù)值孔徑聚焦的單束激光實(shí)現(xiàn)了對(duì)電介質(zhì)微球的三維捕獲，這一成果標(biāo)志著光鑷技術(shù)的誕生，這在當(dāng)時(shí)曾引起學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)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(qiáng)有力的工具。因?yàn)樵谖⒂^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(dòng)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(jī)械接觸和低損傷的特點(diǎn)，只要選擇合適的低吸收波長(zhǎng)，特別是近紅外波段，光鑷對(duì)生物組織的熱損傷幾乎可以忽略不計(jì)，非常適合應(yīng)用于有關(guān)生命科學(xué)的研究。當(dāng)此類概念還未清晰地根植于付玉喜腦海中時(shí)，他只是感慨于這種以光操控粒子的行為“簡(jiǎn)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(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室攻讀了光學(xué)專業(yè)的博士研究生，從事光學(xué)領(lǐng)域中的前沿部分——超短脈沖激光技術(shù)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(gòu)成它的微觀粒子種類、結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。也就是說，當(dāng)微觀粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)便會(huì)隨之而改變，于是物質(zhì)的宏觀性質(zhì)在極大概率上也會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變，這恰恰印證了一句科研界廣為流傳的諺語：“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)?！彼?，要研究構(gòu)成物質(zhì)微觀粒子的動(dòng)力學(xué)行為，探索對(duì)這些動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行超高時(shí)間分辨率的測(cè)量和控制方法，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)與之相關(guān)的物理、化學(xué)、生物等宏觀物性的理解、應(yīng)用和控制，這是當(dāng)今光學(xué)研究中重要的基礎(chǔ)內(nèi)容，也是“超快科學(xué)”存在的基本意義。

在程亞研究員與徐至展院士的共同指導(dǎo)下，付玉喜從博士階段起便開始參與到具體的研究項(xiàng)目之中。5年的時(shí)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(shí)驗(yàn)”：前者用簡(jiǎn)單的相位板成功將飛秒激光在空氣中的成絲延長(zhǎng)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(chǔ);后者成功證明了長(zhǎng)波長(zhǎng)激光驅(qū)動(dòng)光源更有利于產(chǎn)生高光子能量的諧波。除此之外，團(tuán)隊(duì)還齊心開發(fā)了“水窗”波段的軟X射線光源，為推動(dòng)我國(guó)激光裝置向著“更快、更準(zhǔn)、更強(qiáng)”的目標(biāo)前進(jìn)，提供了新的可能。

準(zhǔn)確識(shí)變?主動(dòng)求變

即便求學(xué)時(shí)所接觸的科研工作已經(jīng)足夠出色，但付玉喜對(duì)自己的要求還遠(yuǎn)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(shí)局限及科研視野問題。經(jīng)過一番深思熟慮，在導(dǎo)師的推薦下，他決定前往日本理化學(xué)研究所（RIKEN）汲取經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步挖掘主研領(lǐng)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?！半m然不用費(fèi)太多精力來倒時(shí)差，但是我的生活和工作，在踏上異國(guó)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(duì)首個(gè)由他主持的大型科研項(xiàng)目“紅外飛秒光源開發(fā)及應(yīng)用”時(shí)，他直言自己當(dāng)初有些焦慮，“我真的是完全從頭開始摸索，中間有很多關(guān)鍵的技術(shù)問題亟待突破?！薄捌D難險(xiǎn)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(yuǎn)距離傳播時(shí)，指向性會(huì)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(shè)備需要進(jìn)行一些比較精細(xì)的電路修改，需要反反復(fù)復(fù)地與工廠討論、溝通，這就要花費(fèi)不少時(shí)間，我心里不免會(huì)有些焦急。這時(shí)我注意到實(shí)驗(yàn)室中有一位前輩，他的實(shí)驗(yàn)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?qǐng)?jiān)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(shí)到急則生亂，靜方能致遠(yuǎn)，這是做學(xué)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(dāng)中。”

從一名“初出茅廬”的學(xué)子，成為獨(dú)當(dāng)一面、謀定而動(dòng)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(guó)際上引起了廣泛關(guān)注與高度肯定，首次突破了100毫焦、太瓦（TW，1TW=1012W）級(jí)別的超強(qiáng)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(jiǎng)（Baiho?Award）及第13屆大阪大學(xué)近藤獎(jiǎng)（Kondo?Prize?of?Osaka?University）。

不僅如此，付玉喜團(tuán)隊(duì)還成功開發(fā)出了太瓦量級(jí)的波長(zhǎng)更長(zhǎng)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(jí)）和低重復(fù)頻率（10Hz或更低）光源載波包絡(luò)相位的方法。前者成果的學(xué)術(shù)論文被《應(yīng)用物理快報(bào)》（Applied?Physics?Letters）評(píng)選為當(dāng)期“編輯精選”文章，并在媒體上進(jìn)行了廣泛宣傳，相關(guān)工作被日本理化學(xué)研究所視作一項(xiàng)重要研究成果，成功入選當(dāng)年的“高亮研究（Research?highlight）”工作;后者則獲得了現(xiàn)有報(bào)道中同類超強(qiáng)激光最穩(wěn)定的載波包絡(luò)相位，標(biāo)志著同類型研究的又一次進(jìn)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(dòng)求變，歸國(guó)發(fā)展。2019年10月，他正式加入中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，為下一個(gè)科研課題調(diào)整狀態(tài)、做好準(zhǔn)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(huì)回來的，學(xué)到的知識(shí)要落在祖國(guó)大地上才算是學(xué)以致用”。

理想的坐標(biāo)有多么清晰，前進(jìn)的腳步就有多么堅(jiān)定。歸國(guó)3年，付玉喜始終秉持“誠(chéng)信科研、謙和為人”的態(tài)度，堅(jiān)守在我國(guó)現(xiàn)代光學(xué)產(chǎn)業(yè)的建設(shè)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(xué)研究所保持著密切合作，積極開展交流活動(dòng)，為團(tuán)隊(duì)提供國(guó)際視野，與伙伴攜手共進(jìn)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(guó)際上已報(bào)道的結(jié)果強(qiáng)近2個(gè)數(shù)量級(jí)以上，在對(duì)生命科學(xué)重要的“水窗波段”脈沖能量達(dá)到了幾個(gè)納焦耳。面對(duì)成績(jī)，付玉喜只是說：“能看到成果當(dāng)然是好事情，但我做得還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠?！?/p>

行而不輟?未來可期

初心如磐踐使命，砥礪奮進(jìn)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(tuán)隊(duì)的建設(shè)工作上。圍繞西安光機(jī)所的特色學(xué)科建設(shè)，面向國(guó)際超快科學(xué)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(xué)與技術(shù)中心，并出任常務(wù)副主任一職。中心以阿秒科學(xué)與技術(shù)為牽引，開展新一代先進(jìn)超快激光技術(shù)和超快科學(xué)研究，致力于建設(shè)國(guó)際上最先進(jìn)的、以阿秒時(shí)間分辨為突出特點(diǎn)的超快科學(xué)與技術(shù)研究高地，支撐研究所打造國(guó)際一流水平的超快學(xué)科方向。中心自成立以來，目前已從日本、美國(guó)、德國(guó)和匈牙利阿秒光源引進(jìn)多位高層次海外人才，現(xiàn)有高級(jí)職稱研究人員11人，中級(jí)職稱研究人員2人，博士生導(dǎo)師7人，在學(xué)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(guó)際化的高水平固定研究人員隊(duì)伍。

面對(duì)隊(duì)伍建設(shè)與人才培養(yǎng)工作，付玉喜堅(jiān)信團(tuán)隊(duì)永遠(yuǎn)是科研項(xiàng)目的基石，并發(fā)聲道：“只靠個(gè)人力量是不可能順利出成果的，只有團(tuán)結(jié)所有能團(tuán)結(jié)的力量，才可能攻克難關(guān)。另外，現(xiàn)在我也肩負(fù)著后備人才的培養(yǎng)工作，對(duì)于這一點(diǎn)，我深感光榮，同時(shí)也倍感壓力。截至目前，此項(xiàng)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(dòng)召開了第四、第五屆光學(xué)青年科學(xué)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(tái)。

1阿秒究竟有多短？作為目前人類掌握的最小時(shí)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(dāng)于10-18秒;在表觀上，阿秒級(jí)的運(yùn)動(dòng)是絕對(duì)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(jí)電子運(yùn)動(dòng)就時(shí)時(shí)刻刻發(fā)生在每個(gè)人的身邊?！拔覀冃枰慌_(tái)‘超高速相機(jī)來記錄這些現(xiàn)象，才能進(jìn)一步開拓發(fā)展，更加深刻地認(rèn)知這個(gè)世界。毫無疑問，未來的光學(xué)領(lǐng)域仍大有可為?！备队裣舱f。目前，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)已將阿秒技術(shù)應(yīng)用于原子、分子、納米體系甚至固體中超快電子運(yùn)動(dòng)的測(cè)量和調(diào)控研究，為諸多潛在應(yīng)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(shí)”偕行。

（責(zé)編：關(guān)弋）