激光，是人类最伟大的发明之一

深蓝色的畅想

2021未来科学大奖颁奖典礼举行。上海交通大学讲席教授、中科院物理所研究员张杰院士获颁未来科学大奖-“物质科学奖”，以奖励他与其团队通过调控激光与物质相互作用，产生精确可控的超短脉冲高能电子束，并将其应用于激光核聚变的快点火研究和实现超高时空分辨高能电子衍射成像。

激光，是人类最伟大的发明之一，被认为是“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。这道光焦点下的微观物质世界，如此令人着迷，让张杰研究了30多年。

张杰近日在未来科学大奖与上海交通大学联合举行的学术报告会上，作了题为“极端条件下的物质世界与超高时空分辨观测”演讲，他从超强激光技术发展、高能粒子加速、超快电子衍射以及激光核聚变四个方面回顾了他领导的团队在过去20年时间的科研进展。通过把强激光焦点下形成的高能量密度物质状态和日常生活、宇宙天体中的物理参数相比较，让听众享受了高能量密度物理这一神奇领域的饕餮盛宴。

物理学家喜欢探索的科学问题有两类，第一类是人类社会发展中遇到的瓶颈性难题，比如当前人类社会发展迫切需要解决的最大难题—终极能源问题，第二类是自然界中最难以理解的奥秘，比如微观物质世界的结构与功能。

张杰在接受《中国科学报》专访时说，激光具有极好的方向性、相干性和偏振等特点，因此，超短超强激光脉冲和物质相互作用可以产生精确可控的超短脉冲高能电子束，这样的高能电子束可以用于高能量密度环境下输运能量和超高时空分辨探测两个方面。在第一个方面，超短脉冲高能电子束可以将其携带的能量精准地输运到预先压缩的聚变燃料中，实现快速加热并引发核聚变反应。核聚变能由于其燃料来自海水、效率是化石能源的千万倍、没有长期的核废料、没有碳排放等特点，因此被视为未来社会的“终极能源”。

另一方面，超短脉冲高能电子束也可以作为极其敏感的超高时空分辨的探针，为探测微观世界的超快动力学过程，提供超高时空分辨的研究手段。张杰团队研制的高能电子衍射与成像装置达到了亚埃级的超高空间分辨能力和50飞秒的超高时间分辨能力。

“人类认识微观世界的超快过程需要不断提高观测仪器的时间和空间分辨能力。”在张杰团队之前，时间分辨能力的国际最好水平是150飞秒。“微观物质世界有不少重要的超快过程的时间尺度恰巧在100飞秒左右，所以当我们的装置达到50飞秒的时间分辨能力时，就使人类第一次具有了直接观察微观世界这些超快过程的能力。”张杰打了个比方，就像对高速运动物体的摄影，只有相机“快门”的速度比运动速度更快，才可以清晰成像。

“科学探索的根本驱动力是人类的好奇心，这是人类长期以来得以进化的本能之一，因此，学习和科学探索的过程其实是非常快乐的。我们一定要学会享受学习和科学探索过程本身带来的乐趣。”为了进行快点火激光聚变和高能量密度物理前沿研究，张杰经历了不一般的艰难困苦，但几十年来，他甘之如饴，始终如一。

上海交通大学党委书记杨振武这样评价：“张杰院士及团队在过去几十年潜心研究、集智攻关的历程，体现了新时代科学家的爱国精神、创新精神、求实精神、奉献精神。”

太阳和许多恒星的内部温度高达千万摄氏度以上，每时每刻都在发生着剧烈的核聚变反应。张杰介绍，太阳每秒放出的能量约为3.9×1026焦耳，虽然到达地球表面的仅为太阳每秒释放能量的10亿分之一，但这也是巨大的能量，正是这个能量，才使得地球上的一切生命活动成为可能。

核聚变反应是宇宙中的普遍现象，它是恒星（例如太阳）的能量来源。核聚变能也是全世界能源发展的前沿方向，如果人类可以掌控这种能量，就能彻底摆脱目前地球的能源与环境危机的困扰。

受控核聚变所需要的原料是氢元素中的两个同位素氘和氚。氘可从海水中提取，氚可以由地球上储量非常丰富的锂生成。张杰介绍，一立方公里海水所含的氘经过聚变反应产生的能量就相当于地球上所有石油储备产生的总能量，因此聚变能源的开发,将“一劳永逸”地解决人类的能源需要。

到目前为止，人类对受控核聚变的研究主要分为两类。一是磁约束核聚变，典型的实验装置如中科院合肥物质科学研究院的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）和法国的ITER实验装置。

二是激光核聚变，典型实验装置如我国的神光激光装置和美国的国家点火装置（NIF）。占地面积有三个美式足球场那么大的NIF激光装置采用传统的中心点火激光核聚变方案。