飞秒纵横巧驭天——记长春理工大学教授郝作强

本刊记者 严永红

2008年在巴黎

激光的问世，可以说是上个世纪最耀眼的发明——古老的光学科学与光学技术自它获得了新生，人类探索世界和改变世界的方式变得前所未有的主动。而近年来，蕴含着更大能量和更多秘密的飞秒激光，正在以异乎寻常的速度占领高能物理学研究的前沿阵地。从空气激光到人工降雨，从大气污染检测到光频率转换……广泛的应用前景受到了各国科学家的瞩目。

“想要更好地利用飞秒激光，必须首先掌握它的基本物理特性。”长春理工大学理学院教授郝作强如是说。

寻求突破，永不止步

郝作强与强激光高能物理学结缘于2001年。那一年，他进入中国科学院物理研究所攻读博士学位，师从张杰院士，从事超强飞秒激光脉冲在空气中的非线性成丝研究。张杰院士曾感慨地说：“物理学家挑战人类百思不得其解的问题，那种满足感是其他职业的人无法体会的。”果不其然，一旦踏入飞秒激光研究领域，郝作强探究真理、寻求突破的脚步再未停歇过。

博士学习期间，郝作强所在项目组荣获了2007年中国科学院杰出科学成就奖。当年10月，他加入了法国里昂第一大学LASIM实验室，从事飞秒激光等离子体细丝的应用研究，主要包括激光诱导水凝聚研究。2008年10月，作为洪堡研究学者，他进入德国柏林自由大学继续从事激光诱导水凝聚研究，同时进行激光光谱技术的研究。在国外的几年当中，他利用世界上第一台太瓦级移动飞秒激光装置（Teramobile），与德国柏林自由大学、德国卡尔斯鲁厄理工学院、瑞士日内瓦大学、法国里昂第一大学、法国巴黎高科5个著名研究机构进行联合科学研究；作为核心研究人员参加法国、德国和瑞士的若干大型科研项目。2011年回国进入长春理工大学以后，郝作强更是像陀螺一样飞快旋转在科研一线，几乎所有的周末及假期，他都是在实验室度过的。至今，他和合作者们已在自然－光子学《Nature Photonics》、自然－通讯《Nature Communications》、应用物理快报《Applied Physics Letters》、光学快报《Optics Letters》、光学快讯《Optics Express》等国际著名学术期刊上发表学术论文60余篇。

提及多年的科研经历，让郝教授念念不忘的是导师的“完美”和同行们的“专注”。

“能在张杰老师的带领下进入这个研究领域，是非常幸运的事情。飞秒成丝是张老师的研究方向之一，开始我没有太多基础，是他把我带入了这个全新领域。小到一个光学元件的使用，大到研究目标方案的制定，他都事无巨细，授之以渔。张老师高瞻远瞩的科研视野以及无穷的人格魅力深深地影响着我们实验室的每一个人。”

郝教授坦言，在国外工作期间，同行们的执着和专注让他深受触动。“进行飞秒激光诱导水凝聚的研究时，我们在瑞士莱茵河畔做了半年多的实验，为了研究不同湿度、温度下的水凝聚规律，每天都要工作到半夜。德国人的性格是力求完美的，科研中更是这样。这种科学严谨的工作态度对我影响很大。”

脚踏实地，步步为营

所谓成丝现象，是指当功率达到一定得阈值要求时，飞秒激光在光学介质传输过程中会产生一种独特的非线性光学现象。在自聚焦效应和电离空气后产生的等离子体带来的散焦效应共同作用下，激光脉冲在空气中可实现超过光束瑞利长度很多倍的长距离传输，形成一个很长的较为稳定的激光通道。

从1995年这一现象被发现以来，世界上仅有为数不多的实验室正在开展这方面的研究。对郝教授而言，这是一个不容错过的历史性机遇。经过十余年来科研经验的积累，他已对这一前沿领域有了比较独到的理解，对发展方向也有了全面的把握。如果能够快速整合资源，带领一些年轻上进的研究人员，在激光与物质相互作用研究领域集中攻坚，再经过几年的发展，在一些研究方向上抢占科研高地是大有希望的。

机遇与挑战相伴而生，压力与动力如影相随。郝教授瞄准的第一个方向，是飞秒激光等离子体成丝动力学。同时，他也给自己设定了朴素的工作准则，一定要“脚踏实地”。

研究结果表明，飞秒激光等离子丝在调控自然天气现象方面有可能发挥出独特的作用。比如利用等离子体丝诱导闪电，将闪电引导到安全地点避免灾害。再比如，飞秒激光等离子体丝可以诱导空气中水凝聚，产生一种新型的人工降雨或降雪方式。

人们虽然已基本掌握了等离子体细丝的一些基本特性，但迄今为止，国内外还没有关于空气中飞秒激光等离子体细丝诱导的各化学成分及其随时间演化过程的研究报道。

实际上，早在2005年，郝教授就首次进行了等离子体细丝寿命延长的实验研究，成功地将细丝的寿命延长到了微秒量级。而对于飞秒激光等离子体细丝的各成分的定量的时间演化分析，虽然没有找到一个行之有效的诊断方法，但采用他一直关注的使用超连续光腔衰荡光谱技术（SC-CRDS技术）可以尝试改变这种困境。如果能够选用合适的波段进行等离子体细丝的SC-CRDS测量和定量分析，研究细丝中主要化学成分的时间演化特性，得到它们的吸收光谱，应该就可以掌握其演化规律。

2012年，国家自然科学基金项目“空气中飞秒激光等离子体细丝主要化学成分的SC-CRDS动力学诊断”立项。郝教授介绍说，“通过这个项目，我们能够更深入地理解和掌握飞秒激光脉冲的非线性成丝传输和化学成分时间演化过程及其物理机制，最终构建飞秒激光成丝演化的完整物理图像，为飞秒激光成丝应用到对天气的调控及其它领域提供理论依据和物理支持”。

在研究中，郝教授感到，面向不同的应用，飞秒激光成丝的研究相应地具有若干研究方向，但无论是进行白光激光雷达，还是进行空气激光产生的研究，都希望激光成丝或伴随的非线性过程是稳定的、可控的、可反馈优化的，因此，成丝的优化控制对所有相关的应用研究都是非常关键的。于是，在2014年研究团队再次申请了国家自然科学基金项目并得到了资助。

“我们已经实现了比普通透镜情况下至少高一个量级的超连续脉冲能量的输出。但我们在研究中发现，微透镜阵列的采用虽然提高了超连续辐射的输出能量，但是其转换效率相对普通聚焦透镜的情况反而降低了，仅仅依靠微透镜阵列还不能完全实现飞秒激光成丝的操控和超连续辐射的优化控制，尤其是超连续辐射的转换效率的提高。因此，在这个项目中，我们将激光脉冲的时间整形和微透镜阵列的空间调制方式结合在一起，同时在时间和空间上对激光脉冲进行调控，进而控制和优化激光成丝的过程以及超连续辐射的光谱展宽与转换效率，实现自适应优化控制的、高转换效率以及高脉冲能量的飞秒超连续白光输出。”

通过激光脉冲的时间整形和空间调制，进行飞秒激光在固体光学介质中成丝过程的优化以及控制，提高飞秒激光成丝的超连续辐射能量及转换效率的研究，在国际上还是一片未经开垦的“处女地”。这项研究的推进，不仅具有重要的基础物理研究价值，同时也可能是商品化的飞秒超连续激光光源最终实现的必经之路。

在飞秒激光这块充满神秘的科研领地，郝教授信仰“实干”、尊崇“专注”。他一贯谦和，最常说的是导师的指引、同行的激励、学校的支持；最大的期待是有更多有志青年加入自己的研究团队；他甚至抵触对自己丰富的科研经历进行任何宏大意义上的渲染。也许对他而言，科研不需升华，因为科研本身即是意义。

他所在的长春理工大学理学院超快光学实验室，是林景全教授在2009年回国后逐步建立起来的，已经具有了较完善的研究条件，正在承担国家、部委项目及地方项目10多项，2011年被评为吉林省飞秒激光与物质相互作用科技创新团队，2014年被评为长春市超快激光应用科技创新中心。目前，实验室正在进行超快纳米等离激元、飞秒激光成丝、激光等离子体极紫外光刻光源、光腔衰荡光谱技术以及激光诱导击穿光谱技术等多个国际前沿热点领域的研究，郝教授表示，“欢迎有志青年加入到我们的队伍”。