懷揣一顆求索之心 點(diǎn)亮微觀世界“最快的光”
—— 記西安光學(xué)精密機(jī)械研究所研究員付玉喜

◎ 本刊記者 馮翔慧

激光是繼核能、電腦、半導(dǎo)體之后，人類的又一重大發(fā)明。它從誕生起便被冠以“最快的刀”“最準(zhǔn)的尺”“最亮的光”之名。可以說(shuō)，激光是在有理論準(zhǔn)備和生產(chǎn)實(shí)踐迫切需要的背景下應(yīng)運(yùn)而生的。因此它一問(wèn)世，就獲得了異乎尋常的飛快發(fā)展，不僅使古老的光學(xué)科學(xué)和光學(xué)技術(shù)獲得了新生，而且催生了一種全新光學(xué)技術(shù)手段——激光脈沖的出現(xiàn)。

激光脈沖指激光定向發(fā)光，大量光子集中在一個(gè)極小的時(shí)間范圍內(nèi)射出的現(xiàn)象。目前，激光脈沖技術(shù)持續(xù)發(fā)展，脈沖寬度已進(jìn)入超短飛秒甚至阿秒的時(shí)間尺度。我國(guó)一直十分重視發(fā)展此類激光技術(shù)的推進(jìn)。西安光學(xué)精密機(jī)械研究所（簡(jiǎn)稱西安光機(jī)所）作為被國(guó)家賦予重任的業(yè)內(nèi)“領(lǐng)跑者”之一，不僅承建了我國(guó)早期設(shè)立的國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室之一，還在阿秒光源領(lǐng)域頗有建樹。依托于優(yōu)秀平臺(tái)，身為國(guó)家科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才的付玉喜對(duì)超快超短激光與阿秒光源的未來(lái)發(fā)展前景十分樂(lè)觀：“雖然我國(guó)在此研究領(lǐng)域的起步時(shí)間并不算早，但如今有這么多優(yōu)秀的同仁勠力同心，相關(guān)技術(shù)必將云程發(fā)軔、萬(wàn)里可期。”

付玉喜，中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所研究員、博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任阿秒科學(xué)與技術(shù)研究中心常務(wù)副主任、光子科學(xué)與技術(shù)部副部長(zhǎng)。他始終心系“國(guó)家事”、肩扛“國(guó)家責(zé)”，面向國(guó)家重大需求，堅(jiān)持以源頭創(chuàng)新解決“卡脖子”難題，用科技自立自強(qiáng)的實(shí)際行動(dòng)詮釋青年科技工作者的初心使命，入選中國(guó)科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)，獲中國(guó)科學(xué)院優(yōu)秀共產(chǎn)黨員等榮譽(yù)稱號(hào)。

行程萬(wàn)里，熱愛(ài)如一

2001 年，同濟(jì)大學(xué)應(yīng)用物理專業(yè)實(shí)驗(yàn)課堂之上出現(xiàn)的“光鑷”這一知識(shí)點(diǎn)深深吸引著付玉喜，他直言自己能與光學(xué)研究結(jié)緣，完全是出于對(duì)它的好奇與向往。

光鑷的發(fā)明為人類研究微觀尺度里的相互作用、深入理解微觀世界提供了強(qiáng)有力的工具。因?yàn)樵谖⒂^尺度的研究中，除了“看得清”，還需要“摸得著”，而光鑷就是那只“摸得著”微觀粒子的“手”，它可以?shī)A持住微粒并控制微粒的移動(dòng)與旋轉(zhuǎn)，非常適合應(yīng)用于有關(guān)生命科學(xué)的研究。當(dāng)此類概念還未清晰地根植于付玉喜腦海中時(shí)，他只是感慨于這種以光操控粒子的行為“簡(jiǎn)直太神奇了”！從此，“激光”便在他腦海里打下了深深的烙印。

懷揣一顆求索之心，他前往中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室攻讀了光學(xué)專業(yè)的博士研究生，從事光學(xué)領(lǐng)域中的前沿部分——超短脈沖激光技術(shù)與阿秒光源研究。

眾所周知，物質(zhì)是由原子、分子、電子等微觀粒子組成的。物質(zhì)的宏觀性質(zhì)往往取決于構(gòu)成它的微觀粒子種類、結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。也就是說(shuō)，當(dāng)微觀粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)便會(huì)隨之而改變。所以，要研究構(gòu)成物質(zhì)微觀粒子的動(dòng)力學(xué)行為，探索對(duì)這些動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行超高時(shí)間分辨率的測(cè)量和控制方法，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)與之相關(guān)的物理、化學(xué)、生物等宏觀物性的理解、應(yīng)用和控制，這是當(dāng)今光學(xué)研究中重要的基礎(chǔ)內(nèi)容，也是“超快科學(xué)”存在的基本意義。

在程亞研究員與徐至展院士的共同指導(dǎo)下，付玉喜從博士階段起便開始參與到具體的研究項(xiàng)目之中。5 年的時(shí)間里，他出色完成了“飛秒激光成絲研究”“利用紅外飛秒光源開展高次諧波實(shí)驗(yàn)”：前者用簡(jiǎn)單的相位板成功將飛秒激光在空氣中的成絲延長(zhǎng)了幾倍之多，為飛秒激光遙感及飛秒激光傳輸提供了一定的理論基礎(chǔ)；后者成功證明了長(zhǎng)波長(zhǎng)激光驅(qū)動(dòng)光源更有利于產(chǎn)生高光子能量的諧波。除此之外，團(tuán)隊(duì)還齊心開發(fā)了“水窗”波段的軟X 射線光源，為推動(dòng)我國(guó)激光裝置向著“更快、更準(zhǔn)、更強(qiáng)”的目標(biāo)前進(jìn)提供了新的可能。

準(zhǔn)確識(shí)變，主動(dòng)求變

即便求學(xué)時(shí)所接觸的科研工作已經(jīng)足夠出色，但付玉喜對(duì)自己的要求還遠(yuǎn)未止步于此。在開展博士后研究工作前夕，他開始深刻審視自身仍存的知識(shí)局限及科研視野問(wèn)題。經(jīng)過(guò)一番深思熟慮，在導(dǎo)師的推薦下，他決定前往日本理化學(xué)研究所（RIKEN）汲取經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步挖掘主研領(lǐng)域?qū)W問(wèn)的深度。

初至陌生環(huán)境，總難免要克服許多困難，生活如是，科研也如是。在面對(duì)首個(gè)由他主持的大型科研項(xiàng)目“紅外飛秒光源開發(fā)及應(yīng)用”時(shí)，他直言自己當(dāng)初有些焦慮，“我真的是完全從頭開始摸索，中間有很多關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題亟待突破。”由于激光在遠(yuǎn)距離傳播時(shí)，指向性會(huì)有不穩(wěn)定的情況產(chǎn)生，但所需設(shè)備需要進(jìn)行一些比較精細(xì)的電路修改，需要反反復(fù)復(fù)與工廠討論、溝通，要花費(fèi)不少時(shí)間，他心里不免有些焦急。意識(shí)到“急則生亂，靜方能致遠(yuǎn)”，他開始心無(wú)旁騖地投入接下來(lái)的工作中。

從一名“初出茅廬”的學(xué)子，成為獨(dú)當(dāng)一面、謀定而動(dòng)的研究員，付玉喜在日本整整耕耘了九年。在此期間，他研發(fā)并產(chǎn)生了高能量、高峰值功率的中紅外波段超短飛秒激光源，在國(guó)際上引起了廣泛關(guān)注與高度肯定，首次突破了100 毫焦、太瓦（TW，1TW=1012W）級(jí)別的超強(qiáng)中紅外飛秒光源。得益于此，付玉喜一舉奪得第二屆RIKEN 梅峰獎(jiǎng)和第13 屆大阪大學(xué)近藤獎(jiǎng)。

不僅如此，付玉喜團(tuán)隊(duì)還成功開發(fā)出了太瓦量級(jí)的波長(zhǎng)更長(zhǎng)的中紅外超短飛秒光源，且提供并演示了如何精確鎖定高能量（TW，PW量級(jí)）和低重復(fù)頻率（10Hz 或更低）光源載波包絡(luò)相位的方法。前者成果的學(xué)術(shù)論文被《應(yīng)用物理快報(bào)》評(píng)選為當(dāng)期“編輯精選”文章，并在媒體上進(jìn)行廣泛宣傳，相關(guān)工作被日本理化學(xué)研究所視作一項(xiàng)重要研究成果；后者則獲得現(xiàn)有報(bào)道中同類超強(qiáng)激光最穩(wěn)定的載波包絡(luò)相位，標(biāo)志著同類型研究的又一次進(jìn)階。

雖然在日本的研究成果頻出，但付玉喜早已下定決心跳出“舒適圈”，主動(dòng)求變，歸國(guó)發(fā)展。2019 年10 月，他正式加入中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，為下一個(gè)科研課題調(diào)整狀態(tài)、做好準(zhǔn)備。

理想的坐標(biāo)有多么清晰，前進(jìn)的腳步就有多么堅(jiān)定。歸國(guó)3 年，付玉喜始終秉持“誠(chéng)信科研、謙和為人”的態(tài)度，堅(jiān)守在我國(guó)現(xiàn)代光學(xué)產(chǎn)業(yè)的建設(shè)之中。目前，他利用高能量紅外飛秒光源產(chǎn)生了高亮度、小型化秒和阿秒軟X 射線等相干光源，利用高次諧波方法誕生出的軟X 射線相干光源比國(guó)際上已報(bào)道的結(jié)果強(qiáng)近2 個(gè)數(shù)量級(jí)以上，在對(duì)生命科學(xué)重要的“水窗波段”脈沖能量達(dá)到了幾個(gè)納焦耳。

行而不輟，未來(lái)可期

初心如磐踐使命，砥礪奮進(jìn)啟新程。在付玉喜的規(guī)劃中，下一步，他將目光聚焦在科研團(tuán)隊(duì)的建設(shè)工作上。圍繞西安光機(jī)所的特色學(xué)科建設(shè)，面向國(guó)際超快科學(xué)研究的前沿，付玉喜協(xié)助所里于2021 年5 月組建了阿秒科學(xué)與技術(shù)中心，并出任常務(wù)副主任一職。中心以阿秒科學(xué)與技術(shù)為牽引，開展新一代先進(jìn)超快激光技術(shù)和超快科學(xué)研究，致力于建設(shè)國(guó)際上最先進(jìn)的、以阿秒時(shí)間分辨為突出特點(diǎn)的超快科學(xué)與技術(shù)研究高地，支撐研究所打造國(guó)際一流水平的超快學(xué)科方向。未來(lái)，根據(jù)使命定位和發(fā)展規(guī)劃，中心將打造一支國(guó)際化的高水平固定研究人員隊(duì)伍。

面對(duì)隊(duì)伍建設(shè)與人才培養(yǎng)工作，付玉喜堅(jiān)信團(tuán)隊(duì)永遠(yuǎn)是科研項(xiàng)目的基石。2020 年與2022 年，他在各方支持下，相繼推動(dòng)召開了第四屆、第五屆光學(xué)青年科學(xué)家論壇，旨在為所有“年輕且聰明的大腦”提供交流、展示的平臺(tái)。目前，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)已將阿秒技術(shù)應(yīng)用于原子、分子、納米體系甚至固體中超快電子運(yùn)動(dòng)的測(cè)量和調(diào)控研究，為諸多潛在應(yīng)用提供了可能性。未來(lái)，他表示將繼續(xù)秉持初心，和“光”同塵，與“時(shí)”偕行。