在廣東東莞松山湖科學(xué)城，中國散裂中子源附近的一片建設(shè)工地上，一座能“看見”電子運動的“國之重器”——先進阿秒激光設(shè)施正加速建設(shè)。
作為亞洲首個阿秒激光設(shè)施，該項目自去年1月正式動工以來備受矚目。近日，南方+記者從中國科學(xué)院物理研究所獲悉，目前，先進阿秒激光設(shè)施土建工程已完成封頂，核心關(guān)鍵技術(shù)取得重大突破，其“心臟”部件——高性能飛秒激光器已成功實現(xiàn)全國產(chǎn)化，打破了國外在該領(lǐng)域的技術(shù)壟斷。
先進阿秒激光設(shè)施全景圖。
探秘微觀世界的“超高速攝像機”
阿秒激光設(shè)施被形象地稱為“超高速攝像機”。“阿秒”是指百億億分之一秒的時間單位，電子的運動就處在幾十到數(shù)百阿秒的時間尺度上。基于高性能飛秒激光，先進阿秒激光設(shè)施能實現(xiàn)對電子運動的跟蹤、測量與操控。
作為一個前沿類大科學(xué)裝置，先進阿秒激光設(shè)施將為物理、化學(xué)、材料、信息、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域提供重要的研究工具。該項目的首席科學(xué)家、中國科學(xué)院物理研究所研究員魏志義介紹，通過該裝置，科學(xué)家們可以像看電影的慢動作回放一樣，了解電子在原子內(nèi)部的運動，探究它們之間的相互作用，操控它們的行為。
目前已建好的散裂中子源、同步輻射光源等科學(xué)裝置主要從空間維度探測物質(zhì)結(jié)構(gòu)細微的特性。而阿秒激光則能從前所未有的時間尺度上，研究并控制發(fā)生在超短時間內(nèi)的微觀過程。
魏志義表示，當具備高空間分辨率和高時間分辨率兩種手段開展科學(xué)研究時，就能夠更加全面地了解物質(zhì)世界的科學(xué)規(guī)律，認識其物理機制，進一步改造并控制物質(zhì)的特性，從而解決很多重大的科學(xué)前沿問題。“同時，還能推動半導(dǎo)體材料與器件、信息技術(shù)、光伏能源、新藥研發(fā)、癌癥早期診斷等高技術(shù)行業(yè)的升級發(fā)展。”魏志義說。
這一“大國重器”由中國科學(xué)院物理研究所與西安光學(xué)精密機械研究所共同建設(shè)。其中，中國科學(xué)院物理研究所承擔了6條阿秒激光束線、13個研究終端的建設(shè)任務(wù)，項目團隊先后攻克了樁基、筏板基礎(chǔ)、鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵工程，完成多輪工藝設(shè)計深化，目前已完成主體建筑結(jié)構(gòu)封頂。
核心部件打破國外技術(shù)壟斷
先進阿秒激光設(shè)施能否長期穩(wěn)定運行，取決于其“心臟”——高性能飛秒激光器。“沒有高性能的飛秒激光器，就難以實現(xiàn)高質(zhì)量的阿秒激光輸出。”魏志義說。
然而，在項目籌建前，我國所需的高性能飛秒激光器長期依賴國外進口，不僅面臨禁運風險，且維修費用高昂、周期漫長。“對于需要長期穩(wěn)定運行的大科學(xué)裝置而言，這是難以接受的。”先進阿秒激光設(shè)施總工程師趙昆坦言。
為此，科研團隊經(jīng)三年技術(shù)攻關(guān)，著力解決了關(guān)鍵材料、核心器件、整體設(shè)計、系統(tǒng)集成、長時間穩(wěn)定運行等技術(shù)難題。
趙昆表示，團隊研制完成的五類激光器均已通過了中國計量科學(xué)研究院組織的技術(shù)測試，關(guān)鍵技術(shù)指標全部達到設(shè)計要求。在工藝測試驗收中，與會專家一致認為此五類激光器綜合性能已達到國際先進水平，完全能夠滿足阿秒激光設(shè)施建設(shè)需求。
這意味著，長期被國外壟斷的高性能飛秒激光器已成功實現(xiàn)全國產(chǎn)化，有望為其他大科學(xué)裝置建設(shè)及重大任務(wù)攻關(guān)提供相關(guān)激光器解決方案。
趙昆透露，按計劃，今年10月，設(shè)施將完成基建工程，2027年1月開始進行設(shè)備安裝，預(yù)計2028年下半年全部完成，2029年進入調(diào)試驗收階段。
先進阿秒激光設(shè)施全景圖
建成后，先進阿秒激光設(shè)施將實現(xiàn)從納米—軟X射線到毫米—太赫茲的全波長覆蓋，實現(xiàn)超高時間分辨、空間分辨、能量分辨的光—電—磁—熱綜合實驗平臺，在脈沖能量、脈沖寬度、光子能量、光子通量等性能指標上取得突破，達到世界先進水平。
◆編輯：吳玉珍◆二審：鄭沛鋒◆三審：周亞平
