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  • 上海科技报
专注激光领域,绽放创新之光
——透视中科院上海光机所的5个科技奖
2020年05月19日  作者:耿挺   编辑:ydm   审核:杨冬梅  版面:A1

2项技术发明奖一等奖、1项自然科学奖一等奖、1项自然科学奖二等奖、1项青年科技杰出贡献奖,在2019年度上海市科学技术奖的榜单上,中科院上海光机所“4+1”收获颇丰。

“今年是激光器诞生60周年。以研究激光为目标的中科院上海光机所自成立以来,就一心一意深耕于这一领域,从未改变。” 上海光机所所长邵建达说,“从基础科学探索到技术成果应用,从国家任务需求到孵化新兴产业,上海光机所的科学家们始终坚持十年、二十年磨一剑,这才有了此次的科技奖大丰收。”

初心:“专注眼前的‘光’”

在不知情的人的眼中,晚上的上海光机所经常灯火通明,看上去有很多人在工作;但让他们迷惑不解的是,白天的所里却是静悄悄的,又似乎没什么人。

“这是因为做‘光’的人怕光。”上海光机所党委书记、副所长陈卫标研究员用一句打趣的话做了诠释,“在所里,有一种埋头科研的氛围。大家专注于眼前的‘光’,却很少理会外界的五光十色。”

耐得住寂寞,坐得了冷板凳,坚守住初心,而不是跟着热点随波逐流。这是科学家的精神,也是陈卫标和他的科研团队有关“机载蓝绿激光海洋探测和传输系统关键技术及应用”研究能获得2019年度上海市技术发明奖一等奖的内在原因之一。

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该研究源于我国建设海洋强国的需求:对海洋资源、生态、海岸线和海岛礁进行常态化立体调查,以提高海洋资源开发利用、海洋生态环境保护和海洋权益维护能力。与船舶调查相比,安装在飞机上的激光能够突破海洋与空气界面的封锁,“看清”海水里的图像,无疑将更加高效。

陈卫标领衔的科研团队将目标聚焦在目前唯一可以“看透”海气界面、海水的蓝绿激光上。在国际上,中科院上海光机所是除欧美、日本等海洋强国之外少数几个同步进行该领域研究的科研机构。

“在过去的20年里,我们亲眼见证了海南三亚的发展。”这句看似开玩笑话的背后,是陈卫标团队20年磨一剑的坚韧。要让蓝绿激光变成“火眼金睛”,必须让它“看得深”“测得准”“抗干扰”“全天候”。20年来,陈卫标团队瞄准这些瓶颈问题,勇于创新,迈出了从01的一步。

出自上海光机所的国内首套机载双频海陆激光雷达,实现了从光源、扫描器、光电探测等核心模组件到系统的完全自主可控。这台激光雷达,不仅能够看清楚从0.2米到50米的海水内部,并稳定传输回探测信号,还能轻松适应4米大浪下的所有海况,同时特定频率的激光将太阳背景辐射影响降到最低。

从中国海岸带到南海岛礁,从海洋垂直剖面信息到赤潮预警和海洋初级生产力评估,机载蓝绿激光雷达填补了国内多项空白。而陈卫标的下一个目标是把机载变成星载。“这个过程或许又要做10年。”说这话时,陈卫标依然风轻云淡。

责任:“做有使命感的工作”

红外玻璃是西方发达国家对我国实施技术封锁和严格禁运的领域。上海光机所副所长张龙研究员带领科研团队经过十多年的艰苦攻关,攻克了大尺寸、宽光谱、高光学均匀性红外玻璃制备与无框化构件技术的系列关键难题,不仅项目获得了2019年度上海市技术发明奖一等奖,本人也成为2019年度上海市青年科技杰出贡献奖获得者。

1995年,我到上海光机所读研究生时,就开始了红外材料领域的研究。”张龙回忆说,“当时科研条件远比现在要简陋,但我认为做的是一件有使命感的工作。”

在使命感的感召下,张龙在红外材料领域一干就是25年。“高性能红外光学材料面临的重要挑战是超大尺寸。”张龙说,为了适应新一代光电系统“看得更远”“看得更宽”的发展趋势,科研团队提出了“多组元中间体固溶析晶互扰”的组成设计思路,以较弱共价键性的多组元“中间体”及重金属氧氟化物来构筑玻璃网络,一举解决了红外玻璃宽波段高透与大尺寸高质制备之间难以兼顾的矛盾。

此外,张龙还带领团队研制出新一代具有高温高强度、超低热辐射新型红外光学材料,解决了红外光学材料应用于高超音速环境的“热障”难题。

如今,来自上海光机所的红外光学材料已经打破了国外封锁,满足了国家的重大需求。

兴趣:“做基础科研,我感到很快乐”

1995年,上海光机所周常河研究员系统地研究了达曼光栅非对称相位编码优化算法,给出了1×11×32包括1×64系列达曼光栅的完整数值解。从那时起,这篇论文引用数逐年增加,成为达曼光栅领域的经典论文之一。

达曼光栅是上世纪70年代提出的,但之后十几年没有得到国际同行重视。到了90年代,随着光互联和光计算的提出,才引起了关注。周常河就是在那个时候投身到达曼光栅领域的。

事实上,在那个计算机并不发达的年代,达曼光栅优化设计难度巨大,一个有11个变量的光栅,最优解相当于在10万亿亿(1022)种组合中找到一种组合,从而使得光栅性能最优。

“为什么会选择达曼光栅?也许是觉得好玩,也许是看到了它的应用价值。”周常河说,“做基础科研,我感到很快乐。”

在快乐的科研中,周常河在2003年率先将达曼光栅思想拓展到圆环孔径,克服了传统达曼光栅只能实现矩阵光斑阵列的缺陷。

2010年到2012年,达曼波带片、三维达曼光栅、扭曲达曼光栅先后在他的科研团队中诞生,从而将传统达曼光栅产生的二维光斑阵列拓展到了三维体空间分布。同时,科研团队提出了简化模式理论,并发明了一系列新型矢量达曼光栅。

至此,周常河建立了达曼光栅从标量到矢量,从理论到应用的完整学科分支体系。

在基础研究不断突破的同时,周常河也注重达曼光栅的应用。从激光直写到三维测量,从人工智能到大数据,达曼光栅的未来应用前景广泛。“达曼光栅原理与应用”也因此获得了2019年度上海市自然科学奖二等奖。

 

传承:“师生三代人共同完成”

超强激光是上海光机所三大重点科研方向之一,位于张江的10拍瓦羲和激光装置引领世界最前激光,正在建设的100拍瓦超强超短激光装置令人期待。

“如果把拍瓦级的超强激光看作‘屠龙剑’,那么我们就是舞剑之人。”2019年度上海市自然科学奖一等奖“超强激光驱动粒子源与新光场”项目的第一完成人沈百飞研究员说,科研团队的一个重要发现是:在国际上首次提出光压加速产生高能离子之后,又提出了光压驱动多级离子加速机制,并在2015年利用超强激光成功产生“反物质”——正电子。

沈百飞团队的另一个重要科学发现是,在国际上首次提出“光扇”靶方案产生超强涡旋激光,把涡旋光研究推进到超强激光领域,并提出“高角动量密度”新概念。“把离子看作是一艘在海洋中航行的帆船,那么光是风,电子是帆,角动量是舵,三者合力就能让船向着我们想要的方向加速前进。”沈百飞形象地总结了这两个发现的重要价值。

在上海光机所,激光不仅是科学,更是传承。在沈百飞的这项一等奖获奖人名单里,张晓梅、吉亮亮、徐建彩,以及中科院院士徐至展都榜上有名。“徐院士是我的导师,而张晓梅、吉亮亮、徐建彩是我的学生。这个项目是我们师生三代人共同完成的。” 沈百飞自豪地说。

徐至展院士是我国超强超短激光与强场物理新领域的奠基者与领头人。在这位老科学家的培育下,多位具有国际视野的中生代科学家成为带领当今中国超强激光科学及其应用研究持续腾飞的领导者。沈百飞是中生代科学家的一员,也是徐至展院士学生中7名杰出青年基金获得者之一。

而沈百飞也正在为新生代科学家的诞生而努力。他已经独立培养了20位博士,其中不乏本学科领域的佼佼者,自己也因此3次获得“中科院优秀导师奖”。

科研接力棒能在老中青三代科学家手里顺利传承,也是上海光机所超强激光未来发展的底蕴。

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