清代天文学家李锐......
张辉 | 以奋进锋芒，见万物之“光”
来源：互联网
2024-11-12 00:16:47 版权归原作者所有，如有侵权，请联系我们
2023年4月20日，“2022中国光学十大进展”评选结果正式公布，中国科学院上海光学精密机械研究所（简称“上海光机所”）强场激光物理国家重点实验室研究员张辉领衔的研究成果赫然在列。依托于上海超强超短激光实验装置（又名“羲和激光装置”“SULF”) ，他们在首轮磨合实验中利用SULF-10PW激光轰击微米金属靶，在靶后法线鞘层加速机制下获得了截止能量达62.5MeV的质子束。这一结果已达到国内领先水平，并进入国际前列。未来通过进一步优化，团队有望获得百MeV级的高能质子束，切实推动激光质子源在聚变能源、肿瘤治疗等重要领域的应用。
▲张辉
当获奖的消息第一时间传回上海光机所时，张辉却恍然未知，“当时我正在羲和激光装置上开展激光打靶的相关实验”。在他眼中，科研奖项或荣誉的取得从来都是成果的“附属品”，“只要研究成果足够值得推广，或能切实推动行业发展，赞誉自然纷至沓来。不过即便如此，我的个人荣誉与成果落地的效用相比，分量也是微不足道的”。因此多年来，他一直埋首在强场激光物理的研究一线，即便手下“操控”着世界上“最快的刀”“最亮的光”，甚至连太阳都难出其锋芒，他也甘当强光照射下站在“暗影”中的人。“高能质子束的能量还有提升的空间”，惊喜过后，他很快便开启了对自己接下来职业生涯的谋篇布局。
在勠力前行中锚定理想
“始于好奇，臻于志趣”，回头看，张辉成长、求学、投身科研的人生过往篇章大致可凝练为这8个字。高中时期，理学学科的优异成绩让他萌发了一个继续研学的目标，但理学专业分支众多、覆盖面极为广泛，这时，自然科学的带头学科——研究大至宇宙，小至基本粒子等一切物质最基本运动形式和规律的物理学，以其深厚底蕴吸引着张辉的注意。于是，高二时，已经确定人生航向的他提前参加了高考，报考了中国科学技术大学少年班。尽管失之东隅，以仅十几分的差距不幸落榜，但收之桑榆，他在理学方面的天赋展现为其后投身科研打下了坚实的基础。
一年后，张辉在中国科学技术大学物理系扬帆逐梦。本科阶段，激光驱动的惯性约束聚变相关知识令他着迷，这让他对研习专业，即等离子体物理抱有持续且严谨认真的学习态度，不仅从未缺勤，还将课余时间大多花在教室与图书馆的“两点一线”间。也正是这样的刻苦钻研，让他得以认知到激光驱动惯性约束聚变的另一个重要研究方向——强场激光物理。这成为他奋斗至今的科研领域，也是他始终坚定的蓝图与理想。
20岁，当多数人还在对未来的迷茫中苦苦打转、挣扎的时候，张辉已经开始跟随李儒新院士在一系列重大科研项目中脚踏实地地积累和耕耘。“在保研到上海光机所之前，我就知道这里有国内独一无二的激光装置和研究团队”，从安徽到上海的“旅程”成为一位优秀青年科技工作者与优秀平台之间的“双向奔赴”。而对于导师李儒新院士的仰慕，张辉虽未过多宣之于口，但从其诚恳的神情与语气中，还是不难读出他对这位业界前辈工作态度及处世风度的推崇，以及立志将他作为追寻榜样的坚定。
学贵得师，2014年，得益于李儒新院士的教诲与自身努力，尚在就读研究生的张辉就创新性地提出并验证了一种基于800nm飞秒激光驱动激波加速窄能散离子束的新方案。这极大地加强了他的科研自信，因此在成功拿到博士学位后，他并未选择出访海外开展博士后研究，而是坚定地留在了上海光机所就“800nm飞秒激光驱动激波加速”方案继续深研。这一过程历时两年之久，其间充斥着荆棘与坎坷——几乎没有任何的经验和技术做参考，还要独立面对实验需要的靶、探测器、监测等装置的设计与搭建。2016年，他在前期方案的基础上进一步提出了辐射压加速和激波加速相结合的混合加速方案，从而获得了高流强、窄能散的质子束，“正是之前的那些困境锻造出了我的实验能力”，他如此说。
2016年对张辉而言是极为重要且独特的一个年头，对上海光机所而言也一样。自2015年起，在李儒新院士的运筹下，超强超短激光装置开始在浦东地区部署。经过短短一年多时间，相关团队就已将原本空空荡荡的实验室成功改头换面，建设起我国光学领域的大科学装置，并在同年8月实现了5.4PW激光脉冲的放大输出。对于这套超强超短激光实验的国之重器，李儒新院士后来赋予了它一个诗意的名字——“羲和激光”。“羲和”是中国上古神话人物，传说她生下了10个太阳，是缔造光明的女神。而上海超强超短激光实验装置在2017年10月24日这一天率先实现了10PW激光的放大输出，成功打破当年的世界纪录。要知道，此级别的能量约等于全球电网平均功率的5000倍，它聚焦产生的光强相当于地球接收到的太阳总辐射聚焦到头发丝大小对应光强的10倍，“羲和”之名也由此而生。可以说，上海光机所用现代科技诠释出了国人心中亘古流长的美丽神话。随着这一大科学装置的各环节相继竣工，浪漫逐步与科学融合，张辉的追“光”之旅，又迎来了全新的挑战，从而翻开了极具创造性的科研新页。
在国之重器上缔造光明
“毫无疑问，大科学装置将造就一批顶尖科学家。”这是李儒新院士对领域内人才辈出、薪火不息的美好期许，也是基于大科学装置已展现出的优势从而做出的未来预判。作为李儒新院士的亲传弟子，张辉表示，绝不敢妄自夸大称自己已跻身“顶尖科学家”行列，但这确确实实是他毕生所追求的职业光点。不过，这条“科研功夫”的进阶之路，他要靠的不是“名气”，而是“实绩”。正如同“2022十大光学进展”所表彰的62.5MeV质子束那样，反复打磨、反复验证，方能成器。
▲羲和10PW物理实验平台验收
激光加速62.5MeV质子束是利用羲和10PW激光轰击4μm的铜靶获得的，起主导作用的靶后法线鞘层加速机制，更是张辉团队通过不断测试、精准优化激光参数（对比度、焦点、聚焦位置等）和靶参数（靶厚、靶材等）最终缔结出的成果。据张辉介绍，用激光加速质子相比于与传统的加速手段有3个显著特点：一为超高的加速梯度，可有效提高3～4个数量级，有望实现加速器小型化；二是超短的脉冲宽度，能激发生物flash效应；最后当数超高的瞬时通量。“这种紧凑而迅疾的激光质子源在肿瘤治疗和聚变能源等重要领域有广泛的应用前景。目前，我们最耳熟能详的应用应该是质子肿瘤治疗，质子束传输存在独特的布拉格峰，可以精准杀死癌细胞的同时保证正常细胞免受损害，被认为是效果最好的肿瘤治疗手段之一，又称‘质子刀’。激光驱动质子刀具有超高加速梯度和超快的特性，有望实现更低的治疗成本和更好的疗效。但是目前我们获得的62.5MeV质子能量离质子治疗肿瘤的200MeV还有一定的距离，需要我们继续努力。”张辉寥寥几句便概述了课题的“现在”与“未来”，这是在“过去”经验基础之上沉淀的真知灼见。
张辉算是羲和建成后，投身相关研究的首批研究人员。自2016年他便开始负责10PW物理实验平台（又名“SULF超快亚原子物理研究平台”）的设计、建设和验收工作。平台建设对于推动光学发展的意义不言而喻，但对应的是，其中难度也超乎想象。“当激光达到10PW时，光束口径会变得非常大，一度达到0.5m，如何在保证光束品质的前提下实现如此大口径光束的传输和聚焦，在当时对我和团队而言就是一个非常大的挑战。”为此，张辉苦思冥想、夙兴夜寐，最终在超大口径及高面型精度的光学元件上找到了破题要义。在进行独特的设计加工后，为进一步实现激光束的传输和聚焦，他们还配备安装了高精度调节的真空镜架等元件。而到了探测方面，如何衡量百MeV质子束，又成了一个避无可避的关卡。这一次，张辉及团队都显得更加从容不迫，在项目的实施过程中设计并加工了RCF堆栈和高性能汤姆逊谱仪，采用两者相结合的方法解决了这一难点。“但比较棘手的问题其实是在验收阶段，”张辉回忆道，“刚开始进行打靶实验无法观测到较强的质子信号，我们排查了很多原因，从靶场开始一路向上最终到激光器前端，才发现在主激光到达前有一串较强的预脉冲，我们将此预脉冲隔离后，激光加速质子能量就获得了明显提升。”
如今，作为羲和装置的3个实验研究平台之一，10PW物理实验平台主要用于开展羲和10PW激光与物质相互作用的研究，并在2020年完成了验收，成为国际上第一个10PW级物理实验平台。对于这个耗费了巨大心力的杰作，张辉不无骄傲。而后，依托此平台，他又带领团队先后承担了中国科学院战略性先导科技专项资助课题（简称“中国科学院先导专项”）与极端光物理线站等科研任务。
在中国科学院先导专项中，张辉团队面对的是激光驱动聚变反应和新物质产生等重要目标，具体而言就是激光加速高能和高效的质子束。高能量质子束自不必说，利用羲和激光在靶后法线鞘层加速机制下获得的62.5MeV高能质子束已经交上了完满答卷，跻身国际前列；而在高效率质子束方面，他们同样颇有建树。张辉首次利用3D打印微结构靶实现高效质子加速，微结构激发的直接加速机制，能够突破有质动力加速的定标率，实现高效加速。“我们利用微丝阵列靶获得了8.7%的能量转化效率，同样达到国际领先水平。”凭借系列成果，张辉获得了“上海市启明星”等荣誉称号，但相比欣喜，他更多感到的是奖项带来的激励，“决不能抱着奖项裹足不前”是他的态度，“开启新的、有挑战的工作”则是他的行动。
当前，基于啁啾脉冲放大（CPA）技术，超强超短激光装置的峰值功率早已不满足于10PW，100PW量级激光装置的建设及其前沿应用逐步成为业界为之倾目的国际研究热点。上海光机所作为国内光学领域的代表，自然不能“掉队”，迅速建立起了“SHINE-SEL”项目，张辉作为关键系统负责人参与其中。“SEL是全球唯一在建的百拍瓦级激光物理实验装置，立项的重要科学目标包括激光加速GeV质子束。我当下正在主持SEL靶场光学系统的构建，这一系统的主要难点在于两处，一是要把激光聚焦到足够小，另一个是聚光的横向抖动要足够小。但关关难过关关过，我们现在已经完成了方案设计，通过了方案评审，下一步将计划招标采购，奋力完成系统搭建。”张辉对于未来的每一步，心中十分清明，正如对激光质子束的推广计划构想一样，抱负远大又脚踏实地。
“激光质子加速领域面临的主要问题还是质子束的品质尚未达到实际应用需求，单说距离肿瘤治疗所需的200MeV质子能量，就还有很大差距。但这个推广方向是绝对正确的，激光质子源的超高加速梯度和超快特性，极大概率可能在未来帮助患者实现‘鱼与熊掌兼得’，用更低的治疗成本获取更好的疗效。每当听到现在传统加速器的高昂肿瘤治疗费用，我都觉得是对自己的一记鞭策。”也因此，张辉在团队内部制订了就激光加速高品质质子源及应用研究的深入计划，立志突破100 MeV质子能量的发展瓶颈。
所幸，队内全员一心、自由活泼的学术氛围让张辉极为心安。这支由1名研究员、2名博士后、5名研究生组成的小团队，平均年龄也不过30岁，无疑是一支年轻有活力的潜力团队，是赓续光学基因的新鲜血液。据张辉描述，团队成员平时待在一起的时间很长，几乎每一次激光质子加速实验都是全员上阵，大家可以在任意环节、任意时间恣意发挥自身优势、发表自己观点，即便有争论也仅限学术层面。“而有此凝聚力的核心因素在于，我们有着共同的科研理想：勠力同心提升我国激光质子源方面的国际竞争力，聚力开拓激光质子源的应用场景，让几倍于太阳的光辉走下神坛，令万物向‘光’生长。”张辉说。
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