本刊記者 嚴(yán)永紅

2008年在巴黎

激光的問世，可以說是上個(gè)世紀(jì)最耀眼的發(fā)明——古老的光學(xué)科學(xué)與光學(xué)技術(shù)自它獲得了新生，人類探索世界和改變世界的方式變得前所未有的主動(dòng)。而近年來，蘊(yùn)含著更大能量和更多秘密的飛秒激光，正在以異乎尋常的速度占領(lǐng)高能物理學(xué)研究的前沿陣地。從空氣激光到人工降雨，從大氣污染檢測到光頻率轉(zhuǎn)換……廣泛的應(yīng)用前景受到了各國科學(xué)家的矚目。

“想要更好地利用飛秒激光，必須首先掌握它的基本物理特性?！遍L春理工大學(xué)理學(xué)院教授郝作強(qiáng)如是說。

尋求突破，永不止步

郝作強(qiáng)與強(qiáng)激光高能物理學(xué)結(jié)緣于2001年。那一年，他進(jìn)入中國科學(xué)院物理研究所攻讀博士學(xué)位，師從張杰院士，從事超強(qiáng)飛秒激光脈沖在空氣中的非線性成絲研究。張杰院士曾感慨地說：“物理學(xué)家挑戰(zhàn)人類百思不得其解的問題，那種滿足感是其他職業(yè)的人無法體會的?！惫黄淙?，一旦踏入飛秒激光研究領(lǐng)域，郝作強(qiáng)探究真理、尋求突破的腳步再未停歇過。

博士學(xué)習(xí)期間，郝作強(qiáng)所在項(xiàng)目組榮獲了2007年中國科學(xué)院杰出科學(xué)成就獎(jiǎng)。當(dāng)年10月，他加入了法國里昂第一大學(xué)LASIM實(shí)驗(yàn)室，從事飛秒激光等離子體細(xì)絲的應(yīng)用研究，主要包括激光誘導(dǎo)水凝聚研究。2008年10月，作為洪堡研究學(xué)者，他進(jìn)入德國柏林自由大學(xué)繼續(xù)從事激光誘導(dǎo)水凝聚研究，同時(shí)進(jìn)行激光光譜技術(shù)的研究。在國外的幾年當(dāng)中，他利用世界上第一臺太瓦級移動(dòng)飛秒激光裝置（Teramobile），與德國柏林自由大學(xué)、德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院、瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)、法國里昂第一大學(xué)、法國巴黎高科5個(gè)著名研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)合科學(xué)研究；作為核心研究人員參加法國、德國和瑞士的若干大型科研項(xiàng)目。2011年回國進(jìn)入長春理工大學(xué)以后，郝作強(qiáng)更是像陀螺一樣飛快旋轉(zhuǎn)在科研一線，幾乎所有的周末及假期，他都是在實(shí)驗(yàn)室度過的。至今，他和合作者們已在自然－光子學(xué)《Nature Photonics》、自然－通訊《Nature Communications》、應(yīng)用物理快報(bào)《Applied Physics Letters》、光學(xué)快報(bào)《Optics Letters》、光學(xué)快訊《Optics Express》等國際著名學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文60余篇。

提及多年的科研經(jīng)歷，讓郝教授念念不忘的是導(dǎo)師的“完美”和同行們的“專注”。

“能在張杰老師的帶領(lǐng)下進(jìn)入這個(gè)研究領(lǐng)域，是非常幸運(yùn)的事情。飛秒成絲是張老師的研究方向之一，開始我沒有太多基礎(chǔ)，是他把我?guī)肓诉@個(gè)全新領(lǐng)域。小到一個(gè)光學(xué)元件的使用，大到研究目標(biāo)方案的制定，他都事無巨細(xì)，授之以漁。張老師高瞻遠(yuǎn)矚的科研視野以及無窮的人格魅力深深地影響著我們實(shí)驗(yàn)室的每一個(gè)人。”

郝教授坦言，在國外工作期間，同行們的執(zhí)著和專注讓他深受觸動(dòng)。“進(jìn)行飛秒激光誘導(dǎo)水凝聚的研究時(shí)，我們在瑞士萊茵河畔做了半年多的實(shí)驗(yàn)，為了研究不同濕度、溫度下的水凝聚規(guī)律，每天都要工作到半夜。德國人的性格是力求完美的，科研中更是這樣。這種科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度對我影響很大。”

腳踏實(shí)地，步步為營

所謂成絲現(xiàn)象，是指當(dāng)功率達(dá)到一定得閾值要求時(shí)，飛秒激光在光學(xué)介質(zhì)傳輸過程中會產(chǎn)生一種獨(dú)特的非線性光學(xué)現(xiàn)象。在自聚焦效應(yīng)和電離空氣后產(chǎn)生的等離子體帶來的散焦效應(yīng)共同作用下，激光脈沖在空氣中可實(shí)現(xiàn)超過光束瑞利長度很多倍的長距離傳輸，形成一個(gè)很長的較為穩(wěn)定的激光通道。

從1995年這一現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)以來，世界上僅有為數(shù)不多的實(shí)驗(yàn)室正在開展這方面的研究。對郝教授而言，這是一個(gè)不容錯(cuò)過的歷史性機(jī)遇。經(jīng)過十余年來科研經(jīng)驗(yàn)的積累，他已對這一前沿領(lǐng)域有了比較獨(dú)到的理解，對發(fā)展方向也有了全面的把握。如果能夠快速整合資源，帶領(lǐng)一些年輕上進(jìn)的研究人員，在激光與物質(zhì)相互作用研究領(lǐng)域集中攻堅(jiān)，再經(jīng)過幾年的發(fā)展，在一些研究方向上搶占科研高地是大有希望的。

機(jī)遇與挑戰(zhàn)相伴而生，壓力與動(dòng)力如影相隨。郝教授瞄準(zhǔn)的第一個(gè)方向，是飛秒激光等離子體成絲動(dòng)力學(xué)。同時(shí)，他也給自己設(shè)定了樸素的工作準(zhǔn)則，一定要“腳踏實(shí)地”。

研究結(jié)果表明，飛秒激光等離子絲在調(diào)控自然天氣現(xiàn)象方面有可能發(fā)揮出獨(dú)特的作用。比如利用等離子體絲誘導(dǎo)閃電，將閃電引導(dǎo)到安全地點(diǎn)避免災(zāi)害。再比如，飛秒激光等離子體絲可以誘導(dǎo)空氣中水凝聚，產(chǎn)生一種新型的人工降雨或降雪方式。

人們雖然已基本掌握了等離子體細(xì)絲的一些基本特性，但迄今為止，國內(nèi)外還沒有關(guān)于空氣中飛秒激光等離子體細(xì)絲誘導(dǎo)的各化學(xué)成分及其隨時(shí)間演化過程的研究報(bào)道。

實(shí)際上，早在2005年，郝教授就首次進(jìn)行了等離子體細(xì)絲壽命延長的實(shí)驗(yàn)研究，成功地將細(xì)絲的壽命延長到了微秒量級。而對于飛秒激光等離子體細(xì)絲的各成分的定量的時(shí)間演化分析，雖然沒有找到一個(gè)行之有效的診斷方法，但采用他一直關(guān)注的使用超連續(xù)光腔衰蕩光譜技術(shù)（SC-CRDS技術(shù)）可以嘗試改變這種困境。如果能夠選用合適的波段進(jìn)行等離子體細(xì)絲的SC-CRDS測量和定量分析，研究細(xì)絲中主要化學(xué)成分的時(shí)間演化特性，得到它們的吸收光譜，應(yīng)該就可以掌握其演化規(guī)律。

2012年，國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“空氣中飛秒激光等離子體細(xì)絲主要化學(xué)成分的SC-CRDS動(dòng)力學(xué)診斷”立項(xiàng)。郝教授介紹說，“通過這個(gè)項(xiàng)目，我們能夠更深入地理解和掌握飛秒激光脈沖的非線性成絲傳輸和化學(xué)成分時(shí)間演化過程及其物理機(jī)制，最終構(gòu)建飛秒激光成絲演化的完整物理圖像，為飛秒激光成絲應(yīng)用到對天氣的調(diào)控及其它領(lǐng)域提供理論依據(jù)和物理支持”。

在研究中，郝教授感到，面向不同的應(yīng)用，飛秒激光成絲的研究相應(yīng)地具有若干研究方向，但無論是進(jìn)行白光激光雷達(dá)，還是進(jìn)行空氣激光產(chǎn)生的研究，都希望激光成絲或伴隨的非線性過程是穩(wěn)定的、可控的、可反饋優(yōu)化的，因此，成絲的優(yōu)化控制對所有相關(guān)的應(yīng)用研究都是非常關(guān)鍵的。于是，在2014年研究團(tuán)隊(duì)再次申請了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目并得到了資助。

“我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了比普通透鏡情況下至少高一個(gè)量級的超連續(xù)脈沖能量的輸出。但我們在研究中發(fā)現(xiàn)，微透鏡陣列的采用雖然提高了超連續(xù)輻射的輸出能量，但是其轉(zhuǎn)換效率相對普通聚焦透鏡的情況反而降低了，僅僅依靠微透鏡陣列還不能完全實(shí)現(xiàn)飛秒激光成絲的操控和超連續(xù)輻射的優(yōu)化控制，尤其是超連續(xù)輻射的轉(zhuǎn)換效率的提高。因此，在這個(gè)項(xiàng)目中，我們將激光脈沖的時(shí)間整形和微透鏡陣列的空間調(diào)制方式結(jié)合在一起，同時(shí)在時(shí)間和空間上對激光脈沖進(jìn)行調(diào)控，進(jìn)而控制和優(yōu)化激光成絲的過程以及超連續(xù)輻射的光譜展寬與轉(zhuǎn)換效率，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)優(yōu)化控制的、高轉(zhuǎn)換效率以及高脈沖能量的飛秒超連續(xù)白光輸出。”

通過激光脈沖的時(shí)間整形和空間調(diào)制，進(jìn)行飛秒激光在固體光學(xué)介質(zhì)中成絲過程的優(yōu)化以及控制，提高飛秒激光成絲的超連續(xù)輻射能量及轉(zhuǎn)換效率的研究，在國際上還是一片未經(jīng)開墾的“處女地”。這項(xiàng)研究的推進(jìn)，不僅具有重要的基礎(chǔ)物理研究價(jià)值，同時(shí)也可能是商品化的飛秒超連續(xù)激光光源最終實(shí)現(xiàn)的必經(jīng)之路。

在飛秒激光這塊充滿神秘的科研領(lǐng)地，郝教授信仰“實(shí)干”、尊崇“專注”。他一貫謙和，最常說的是導(dǎo)師的指引、同行的激勵(lì)、學(xué)校的支持；最大的期待是有更多有志青年加入自己的研究團(tuán)隊(duì)；他甚至抵觸對自己豐富的科研經(jīng)歷進(jìn)行任何宏大意義上的渲染。也許對他而言，科研不需升華，因?yàn)榭蒲斜旧砑词且饬x。

他所在的長春理工大學(xué)理學(xué)院超快光學(xué)實(shí)驗(yàn)室，是林景全教授在2009年回國后逐步建立起來的，已經(jīng)具有了較完善的研究條件，正在承擔(dān)國家、部委項(xiàng)目及地方項(xiàng)目10多項(xiàng)，2011年被評為吉林省飛秒激光與物質(zhì)相互作用科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，2014年被評為長春市超快激光應(yīng)用科技創(chuàng)新中心。目前，實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行超快納米等離激元、飛秒激光成絲、激光等離子體極紫外光刻光源、光腔衰蕩光譜技術(shù)以及激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)等多個(gè)國際前沿?zé)狳c(diǎn)領(lǐng)域的研究，郝教授表示，“歡迎有志青年加入到我們的隊(duì)伍”。