——记中国科学院物理研究所光物理重点实验室副研究员赵昆

本刊记者　李明丽

　　
　　阿秒相当于10的负18次方秒，是非常小的时间单位。如果宇宙的年龄是几百亿年，那么10的负18次方相当于其中的1秒。
　　阿秒激光是指激光的持续时间只有阿秒的数量级，因此就可以通过阿秒脉冲控制阿秒时间尺度的物理过程和化学反应。由于阿秒技术的重要性如同第一台激光器被制造一样，能够在一个层次上提高人们对现有科学的认识，因此，其必将给物理、化学领域带来一场革命。
　　并且，阿秒激光在一定程度上标志着一个国家的尖端科技，因此当今世界上无论欧洲，美国还是日本都有优秀的研究所和大学在探索——研究阿秒激光。中国自然也不例外，中国科学院物理研究所光物理重点实验室就有这样一个团队，他们在超短激光脉冲研究方面具有很强的实力和研究基础，赵昆就是他们当中的一员。
　　赵昆，中国科学院物理研究所光物理重点实验室副研究员，科研工作主要涉及阿秒光学、强激光场电离、超快动力学、高强度飞秒激光以及激光尾波场电子加速。他在美国期间曾在著名阿秒物理学家常增虎教授的研究小组工作将近六年，参与过广义双光选通方法产生阿秒脉冲的工作，所得的结果是世界上第一个也是至今唯一一个利用不带空心光纤压缩的钛宝石激光器直接产生的单阿秒脉冲。之后，他又主持设计建造了一套基于磁瓶飞行光电子谱仪的阿秒条纹相机，并利用双光选通在此装置上产生并测量了至今仍然是世界纪录的67阿秒最短相干光脉冲，其中，利用相位失配来控制阿秒超连续光谱的方法为产生更短的阿秒脉冲提供了一个有效的手段。
　　
最快的成长是实践
　　
　　大学毕业后，赵昆一直在美国求学或任职，2009年，他赴堪萨斯州立大学物理系到常增虎教授的科研组做博士后，这是世界一流的阿秒研究组，在组里的六年时间，为赵昆在阿秒光学领域的发展奠定了坚实的基础。
　　刚进组时，正赶上常增虎教授需要有人来设计并建造一套高精度宽谱阿秒条纹相机，于是赵昆成为了这一项目的负责人。按照常增虎教授的工作习惯，赵昆要先拿出一套全面细致的设计方案。
　　“好在组里之前有一台旧的条纹相机，也是组里同事自己建造的，我在这台旧的条纹相机上学到了很多东西，他们会告诉我当初为什么这样设计而不是那样设计，他们的经验让我少走了很多弯路。”
　　可即便是有样可循，该项目的设计方案还是讨论了两个月之久，“常老师的要求非常严格，他会问到每一个细节，他要求我们做事情不仅要‘知其然’更要‘知其所以然’。”
　　俗话说，磨刀不误砍柴工。方案确定后，赵昆和同事们仅用了一年半的时间，就完成了这台高精度宽谱阿秒条纹相机的建造，难能可贵的是，这台相机的核心部分——高精度光电子谱仪是赵昆所在研究小组独立设计建造的。
　　2012年，这台条纹相机已经投入使用，并且通过采用常增虎教授在偏振选通的基础上创新的双光选通产生，并测量得到了至今仍然是世界上最短的相干光脉冲——67阿秒的脉冲。这个结果证明了双光选通可以产生很宽的光谱从而压缩成很短的脉冲。“不仅如此，在实验中我们还总结出对飞秒激光产生的远紫外光谱进行调节和控制的方法，从而可以调节和控制所产生的阿秒脉冲的色散，最终得到在给定实验条件下所能得到的最短脉冲，这也对我们将来进一步拓展光谱，产生更短的阿秒脉冲具有重要的指导意义。”赵昆以第一作者的身份将相关的文章发表在2012年9月的《光学快报》上（Optics Letters），同时被中国《科技日报》、英国广播公司（BBC）、物理世界（Physics World）、美国福克斯广播公司（Fox News）、连线杂志（Wired）等几十家国际媒体用多种文字报道，至今在google scholar上引用已经超过200次，在SCI上也已经超过150次。
　　虽然高精度宽谱阿秒条纹相机项目给了赵昆很好的成长机会，但是现实还是摆在了他的眼前。
　　在美国，一个实验室里是不可能有两个科研负责人（Principle Investigator），虽然已经晋升为助理教授，但赵昆终究有一天要离开。“我不愿意像很多年轻教授一样，从拥有大型设备的实验室出来后，因为资金的问题转行到一些相对技术要求不高的方向上，我想在我原有的轨道上走下去。”
　　这意味着，赵昆需要一个平台，一个能支持他继续阿秒光学研究的平台。
　　
最好的平台在中国
　　
　　赵昆十分清楚自己需要的平台是什么样子，“在这个平台上我可以继续做我的研究，而不是先花费三五年的时间搭建设备。”赵昆并不是吃不起搭建设备的辛苦，只是以当下科技的发展速度来看，“也许过个三五年，等我的设备终于建造完成了，也已经跟不上技术的发展了，这都是说不准的事情。”
　　除了硬件实力，平台的技术构成也是赵昆比较关注的。
　　“虽然我设计建造过整套的设备，在探测器和激光器上也有一定的经验，但是对于物理这样一种复杂的学科来说，一个人是肯定做不成事情的，你一定会需要很多很多不同的技术支持。”
　　这与物理学的发展有关，“在物理上，定性的讨论已经被很久以前的前辈们讨论过了，如今我们要做的事情应该是把定性的理论推到定量方面，这个过程需要非常关键的、特定的、强大的技术作为支持。而能提供这种技术支持的正是那些规模化的研究组的优势。”
　　经过一番比较，2014年赵昆决定回国加入中国科学院物理研究所光物理重点实验室魏志义研究组，“魏志义老师搭建了一个非常好的平台，老实说在美国都没有这么好的平台。”
　　赵昆的评价一点也不为过，这一平台在国内阿秒光学领域首屈一指，曾经测出了阿秒脉冲的脉宽，这个技术至今在国内都无人能及。
　　该团队负责人魏志义研究员在飞秒激光的整套技术上有非常强的实力，他首次提出并实现了不同固体飞秒激光的被动同步技术；测量并实现了被动同步飞秒激光的载波包络相移（CEO）控制；采用系列新技术研制成功太瓦级的小型化超强超短脉冲激光装置；利用新的技术方案与国外同行一同打破了保持10年之久的超短激光脉冲世界纪录；设计研制成功综合性能先进的系列飞秒激光器件。
　　“平台最吸引我的地方是，在这里不仅作为负责人的魏老师实力强大，其他老师的技术背景一样厉害。这对我的研究工作有非常大的帮助，我可以在各个方面与他们合作，借鉴他们的经验。”
　　“比如滕浩老师是飞秒激光器的专家，现在专做阿秒，所以他很清楚如何把这两方面结合起来，我现在的很多工作都是借助他在飞秒上的研究经验；贺新奎老师的研究比较偏向理论和计算，我们整套设备的设计、参数和方案的制定以及数据的分析都是贺老师的专长；还有方少波老师，他的研究方向是相干合成，这一技术是阿秒激光脉冲中非常重要的技术之一”。
　　“还有好多好多的老师，在我遇到困难的时候我都可以去请教他们，他们也愿意帮助我，这样好的科研氛围真的是可遇而不可求的。”
　　是的，在这里，赵昆找到了他想要的，接下来他坚信能做出他想做的。
　　
最强的方法是交流
　　
　　赵昆目前的工作集中于更宽光谱的阿秒脉冲的产生、高通量阿秒脉冲的产生以及加强超强超短飞秒激光的研制工作。
　　现有的阿秒脉冲的波长一般从十几到几纳米。赵昆希望，可以将波长范围向短波方向延伸至1纳米甚至纳米以下。这样阿秒脉冲就进入软X射线波段，不仅有可能产生更短的脉冲，也将会有更加广泛的应用。目前主要通过对现有的阿秒束线进行升级改造，利用现有飞秒激光，并引进他在美国常教授小组时学到的技术，进行消化吸收，首先把阿秒脉冲的中心波长从现在的15纳米左右减至10纳米以下，并增加光谱宽度；同时研制中红外飞秒激光，用来将中心波长进一步减至3至4纳米。
　　另一方面，目前实验室中产生的阿秒脉冲的主要问题在于其通量太低，就是脉冲中的光子数目或者说总能量太低。这样的低通量脉冲在应用中有诸多的限制，因此产生高通量的阿秒脉冲具有重要的创新和应用的意义。主要手段是通过提高用做驱动源的飞秒激光的脉冲能量来提高阿秒脉冲的通量。这主要有两方面的工作：首先是超强超快飞秒激光的研制，其次是设计建造新一套可以诊断和测量高通量脉冲的阿秒束线。
　　飞秒激光作为阿秒脉冲的驱动光源，对波长、脉宽、脉冲能量、平均功率等技术指标都提出了越来越高，甚至是越来越苛刻的要求，在这方面的有关激光物理和激光技术的研究工作已经变得异常重要。目前的飞秒激光面临的困境是超强脉冲（高达近200焦耳）不能做短，只能短至25飞秒左右；超短脉冲（可以短至1,2飞秒）不能做强，最多5到10毫焦耳。主要原因是产生超短脉冲使用的充气空心光纤技术在能量上的限制，并且此技术在实用中也有能量损失大、结构复杂、调节困难、稳定性差等诸多问题。而最新的固体材料展宽器则有可能解决这些问题。“以此技术为基础和核心，我们希望在超强又超短的飞秒脉冲产生方面获得突破，为产生高通量的阿秒脉冲建造更强有力的飞秒驱动光源。”
　　然而做科研不能宅在实验室闷头干，需要走出去与同行们多交流，尤其是我国在阿秒光学方面与欧美国家还有一定差距的时候。在一个国家或地区如果有几个组能够形成规模效益的话，对技术的进步将会有很大的促进作用。像北美，如今已经有六个组开展广泛的阿秒光学的研究工作，他们各有所长，既可以互相交流也可以互相合作。“比如你去一个组参观看到了好的技术和方法你就可以学过来”。赵昆看到，国内的阿秒光学起步较晚，希望进一步推广阿秒光学的研究，让国内更多的研究小组加入阿秒研究的行列，并且增加和国际上高水平研究组交流和互动的机会，未来国内一定会建立这样一个具有规模效益的科研环境。
　　有机会抓住机会，没有机会创造机会，这是所有科研人必备的品德。为了更好地促进交流活动，中国科学院物理研究所光物理重点实验室魏志义研究组2013年举办了“国际阿秒激光科学研讨会”，2015年又主办了第十届国际超快光学会议”。赵昆说：“我们研究小组未来会争取举办更多的会议，一个会议可以请来上百位国际专家，大家在会上和会下的交流非常多，这样有助于促进国内学科的发展。”的确，目前如果让国内的研究小组自费到国外去参加会议，高昂的费用不是人人都负担得起的，“我们现在把专家请到了国内，咱们国内的同行们都来讨论不是很好吗？”
　　虽然举办会议比较耗费精力，但是会议的价值是不可估量的，除了会议组里还会经常派学生到国外的研究组学习。“学生去国外的研究组做实验可以学到很多东西，都是书本上学不到的。”实际上，实验技术都是其过程中十分细碎的方法，可能就是习惯性的一个动作就决定了你实验的成败，“这种细碎的经验没人会想到要告诉你，要完全靠你自己去观察，学习和摸索。这个是需要传承的,这也是我们坚持派学生出去学习的初衷。”
　　
最大意义在未来
　　
　　在如今这样一个物欲横流的年代，科研也往往被与利润挂钩，也经常有人会问到赵昆研究阿秒的意义何在。
　　赵昆坦率地说：“我的研究没有直接的明显的社会效益。虽然我的研究的结果无法变成产出，但是它在科技发展的推动上的意义是不可限量的。”
　　当年，赵昆所在的常增虎研究小组做出了刷新世界纪录的67阿秒，在参加会议的时候，常有人问赵昆：“你为什么要研究这个67阿秒呢？它的意义是什么?”每当这个时候，赵昆都会风趣地反问：“刘翔百米跨栏夺金牌的意义是什么呢？”
　　的确如此，基础研究并不能迅速带来可观的经济效益和商业利润，基础研究的成果显现往往需要较长的时间，少则几年，多则几十年，有的甚至要耗费一个人的毕生精力或要经过几代人坚持不懈的努力。麦克斯韦为探索电磁场理论，整整用去了十多年时间。爱因斯坦思索狭义相对论和广义相对论，各花费了近十年时间，他把自己的后半生全部奉献给了统一场论的研究，可至今仍没有结果。为解决哥德巴赫猜想问题，几代人为之奋斗，但至今仍未攻克这个“堡垒”。从事基础研究的人员，必须要有“十年磨一剑”，“甘坐冷板凳”的精神，要学会“享受寂寞”，漠视金钱，不为名利所动。
　　换个角度想一想，赵昆说：“如果几年之后，有人发现了一种现象，他要对这种现象做研究，这个研究必须要使用67阿秒的脉冲，那个时候他就可以直接使用我做出来的技术，直接投入研究工作，而不是耗费时间先去做这个67阿秒。所以从这个技术意义的层面来说，技术永远要比目前的需求向前多走一步，只有这样才能达到一个技术储备效果。”
　　有人可能会问，以后真的会有人用到67阿秒吗？赵昆举了一个例子。
　　1962年，那是激光发明的第二年，科学家们在一起开会希望可以解开自己的困惑，“那时的激光只是一个正在寻找应用的工具，它被发明出来，却没人知道它将被用在哪里”，但是如今，我们的周围到处都是激光器，手机、电视、光碟机、超市扫描枪哪一个不是激光器的杰作呢？“今天还是曲高和寡的技术，谁知道哪一天就会变成一个应用非常广泛的技术了。所以我们有一个非常明确的目标就是要把阿秒做得更快更强，我们就在这个技术上往前走，至于我们现在发明的这项技术能不能马上应用到实际当中去，这可能确实是个问题。”
　　难道阿秒光学研究的意义就只能那么“飘忽”吗？
　　“如果一定要给阿秒研究找个现实意义，我想应该是人才的培养吧。”赵昆说。
　　在采访中，赵昆强调说，物理学的研究绝不单单是一个人的事情，它的复杂性决定了它需要全方位的技术支持，这也决定了每一位参与者都有机会获得更全面的知识和技能。“这对培养学生的分析能力、总结能力、解决问题的能力是非常有帮助的。”
　　赵昆认为，对学生在不同阶段的培养应该有不同阶段的要求，比如大学生阶段是获取知识的阶段，基本的状态为“我告诉你要什么，我告诉你怎么做”，大学生只要听从老师的指导，学习怎样做就好；到了研究生阶段，“我告诉你要什么，你告诉我怎么做”就成了应有的状态，要能提出自己的建议，有意识的培养自己解决问题的能力；到了博士博士后阶段，就应该达到“你告诉我要什么，你告诉我怎么做”的标准，因为这个时候你必须具有独立科研的能力。
　　我们看不见阿秒激光，但它却能看到最微观的世界；21世纪的今天，我们也许无法判断赵昆研究的现实意义，但它却有可能影响着离我们并不遥远的未来。