响应新时代的“强场”召唤——记中国科学院上海光学精密机械研究所研究员吉亮亮

本刊记者 汲晓奇

专家简介：

吉亮亮，中国科学院上海光学精密机械研究所研究员、博士生导师。从事强场激光物理研究，发表学术论文40余篇，包括第一、通讯作者Phy.Rev.Lett.论文6篇，主持中国科学院先导专项课题、国家自然科学基金等项目。国家“青年千人计划”入选者，获德国“洪堡学者”基金资助，先后获中国科学院院长特别奖，中国科学院卢嘉锡青年人才奖等。

“强场激光物理的发展确实是受到了‘惯性约束聚变’研究的启发”，吉亮亮谈到自己的研究方向时说道。20世纪60年代，当惯性约束聚变（ICF）在我国刚刚起步时，钱学森院士就形象地指出：“你们的事业是在地球上人造一个小太阳！”在这面旗帜的指引下，一代代科研人进入了聚变的领域。随着激光技术的发展，光的强度突破了聚变所需求的高度，一个以相对论为特性的激光等离子体物理新区域悄然显现，并在过去的20多年间迅速发展，成长为与ICF并肩而立的强场物理新领域。

在ICF研究的号召下，吉亮亮来到了中国科学院上海光学精密机械研究所，但随即被强场中极其丰富而惊奇的物理特性所吸引，立下决心投身于此。“试想一下，将太阳照射到地球的全部辐射凝聚成一根头发丝大小，所有的物质将会被它瞬间电离，电子将瞬间达到相对论速度，这就是目前超强激光能够产生的直观效果。”在吉亮亮的介绍中，如此强烈激光创造的可能性超出人的想象。在纷繁复杂的激光等离子体物理丛林中，他的研究聚焦于两个方面：其一，极端强场究竟能够促进哪些新的物理发现；其二，超短超强激光是否能够实现带电粒子加速，将传统加速器动辄千米的加速距离，缩短到厘米尺度。新的物理并非可以简单窥得，激光加速器更面临着千重挑战，一如人类在聚变之道上的艰难险阻，但这就是吉亮亮选择的研究之路。

见贤思齐科研路

见贤思齐焉。每当翻开书本，看到一个个以伟人名讳命名的公式、定理在内页之间错落林立时，吉亮亮总会油然而生一种钦慕之情。“心向往之，总想着哪一天自己也可以小有成绩，像他们一样为人类发展出一份力。”正是这样的初衷，驱使着他踏上了漫长的求学之路。

2002年，吉亮亮就读于中国科学技术大学物理系，初次邂逅等离子物理。经过4年的时间，他接触到了激光等离子体物理方向，便立刻被这个充满机遇和挑战的年轻学科吸引。2006年，吉亮亮以优异的成绩获得研究生保送资格后，上海光学精密机械研究所（简称上海光机所）成为他一番深思考量后的选择。“上海光机所在激光等离子物理研究上独步国内，而我投到了沈百飞老师的门下。”

在导师的建议和指导下，吉亮亮从激光加速着手展开研究。超强激光可以在等离子体中激发极强的静电场，其加速梯度比传统加速器高4～5个量级，如果能够实现，便可以将千米级的加速距离缩短到厘米尺度。毫无疑问，这是一种令人激动的新型加速原理，是突破现有加速技术的有力候选。“能够赶上激光加速发展的契机，确实非常幸运”，吉亮亮在而后的研究中如鱼得水，他提出的加速方案有效解决了激光加速重离子的难题，同时发展了一系列基于相对论等离子体光学的极端光场产生方法，以第一作者身份在国际知名期刊《物理评论快报》上发表了4篇文章，得到该领域学者的广泛认可。这些成果使他获得了包括了中国科学院院长特别奖、中国科学院优秀博士学位论文、Springer杰出论文奖、朱李月华优秀博士生奖、大恒光学奖学金特别奖、蔡诗东等离子体物理奖等多项学术荣誉。

短暂留所后，吉亮亮获得德国“洪堡学者”基金资助，奔赴杜塞尔多夫大学理论物理研究所。他坦言，那里有一位享有国际盛誉、在粒子模拟领域具有开拓性贡献的学者，因此他的德国之行是慕学者之名，期望见高山而有所得。两年之后，洪堡之期至，回国发展本当顺水而成，但临近离开时吉亮亮却因一项合作，受到俄亥俄州立大学高能量密度物理实验室的邀请。“见高山亦得见四方”，机遇使然，促成了一位科研人向更远的路途出发。

研究历程中，吉亮亮在强场激光物理领域逐渐形成了自己的观点。“超强飞秒激光可以在实验室内创造前所未有的极端物理条件，这是一个连接基础物理与应用物理的桥梁，向上可以对物质、真空的强场量子电动力学（QED）效应进行探索，向下则能开拓激光粒子加速的应用”。为了占领这一前沿阵地，全世界范围内兴起了10～100拍瓦级激光实验装置建设与规划，如欧盟的ELI，俄罗斯的iZest,法国的Appolon，美国的Rochester等项目。彼时，与之相应的却是理论认识上的相对匮乏，人们亟需了解，在更强的激光条件下，究竟有哪些新的物理、可以孕育哪些新的应用。

作报告

为了回答这些问题，他超前探索了比目前拍瓦激光产生的强度高100倍的峰值强度下光与物质的相互作用，发现了在新的强场QED区域，能量吸收通道、伽马辐射与正负电子对产生等重要特征，给出了这些新效应开始显现的关键阈值。这些结果的产生恰逢其时，为规划、建造下一代超短超强激光装置提供了很好的参考。

在此基础上，他开拓性地研究了10～100拍瓦超强激光驱动的辐射反作用力效应，首次在模拟中发现了辐射反作用力引起的电子反常捕获机制，第一次明确地揭示了强场QED效应在激光等离子体中的直观显现。由于该发现的新颖性与重要性，该工作入选了知名期刊Physical Review Letters的“编辑精选(Editors’suggestion)”栏目。近年来，随着超强激光项目的逐渐推进，他的发现得到了国内外同行的大量跟进研究。

在基础前沿阵地驰骋的同时，吉亮亮注意到强场激光物理在应用开拓上的困境。“目前，激光驱动固体靶研究正遭受较大挑战，质子能量至今难以突破100兆电子伏特，这不但影响激光加速的应用前景，也非常不利于整个学科的社会预期。”为此，他以新颖靶材为突破点，首次提出将3D打印的微纳结构引入强场激光物理的概念，对激光驱动产生的高能粒子、射线源进行增强、调控,并且成功实现在微米丝阵列靶、微米通道阵列靶上的高能电子加速。吉亮亮常说，既然选择

了科学研究，就应该清楚地知道自己追求的是什么，不要因为社会环境压力使初心有所改变。科研上的发现，是前行的源动力，也是人生最大的犒赏。

游历有方 归心不待

在第58届等离子体物理年会上，美国物理学会（APS）邀请了世界各国的科研工作者与会交流探讨。该年会被誉为等离子体物理领域内最大、最具权威的国际学术会议。在此次年会受邀行列之中，强场激光物理学科的中国学者仅有两位，作为其中之一，吉亮亮在大会上就激光驱动微纳结构等研究展开成果报告，提出诸多创新性设想，获得同行的普遍关注。

当2016年国家“青年千人计划”被提上日程，当各大高校、科研院所向大洋彼岸的海外学者抛出橄榄枝时，吉亮亮感觉时候到了，他毫不犹豫地收拾行装，回到故土。“科研工作者是有祖国的，不论身在何处，我从未停止对国内动态的关注，为的是有朝一日回来能够尽快融入。”吉亮亮坦言，国内科研确实存在一定不足，但这也意味着巨大的进步空间。“祖国的综合国力、经济水平的提升，也带动了科学研究的发展。无论是经费投入、科研效率，还是媒体上追跑、并跑、领跑的宣传，这种天翻地覆的变化是每个人看在眼里的。”国家实施的“青年千人”计划，正是个人的科学追求与时代发展趋势结合的重要平台。国家的研究资源迅速增长是科研工作者所乐见的，当然，吉亮亮也认为，作为其中一员，应该冷静思考，以科学规律指引研究资源的分配和使用。

重新踏入上海光学精密机械研究所，吉亮亮已经做好准备，用他自己的话说：这既是一种学术的传承，更是一段新行程的开端。没有隆重的就职仪式，入职之时，迎来的是项目开展的紧锣密鼓。在国家“青年千人计划”的支撑下，吉亮亮提出多个建设性构想。“上海的10拍瓦超强激光装置近期即将完工，参数指标无疑将处于国际领先的地位。回到上海光机所，我认为也正是实现自己设想的好时机。”

在人类的科技发展长河中，事业必须有传承，人才更是如此。“一味地追求短平快的论文发表，而忽视了研究生自身能力和素质的培养，这种浮躁万万不可取。我希望能尽自己最大的努力，让所带研究生能够雕琢自身技能，潜心做学问，做具有原创性的工作而不随波逐流，成为具有国际竞争力的人才。”

顾往而行 历久弥新

回顾过往，德国之行，高山之上，吉亮亮见识到了大胆猜想的妙处。“合作导师长于理论与模拟，是一个少言的人，但他的每一句话都能切中要点，敏锐地指出问题关键。最妙的是，他从来不囿于当前实验室所能提供的物理条件，常常鼓励人‘异想天开’，不必考虑研究结果是否可用于当下，因此课题组的工作往往大幅超前于现实。”美国的科研文化则有所不同，吉亮亮谈到他在美国俄亥俄州立大学的经历，“不论是德高望重的老教授，还是初出茅庐的本科生，均可以直呼其名自由讨论，真正体会到科学面前人人平等的学术氛围”。此外，美国课题组更多采取的是实用主义的态度，始终以实验为主，理论模拟为辅。两种不同的研究策略不可避免在吉亮亮的脑中碰撞、冲突。幸运的是，两者最终达成了统一，使他对整个学科领域形成了自己的看法，也对未来的方向有了更深的理解，即强场激光物理是架在基础前沿与应用开拓之间的桥梁，没有现在的前沿探索，就不会有将来的应用开拓；反过来，应用的发展也一定是前沿研究最大的推动力。

与学生合影

但若论所受影响最为深刻，吉亮亮认为还是应当属博士导师沈百飞的“启蒙性”教导。“最开始做粒子加速时，我意外地发现许多与粒子加速无关的新奇现象，便去寻求沈老师的意见，看是否可以进一步研究下去。”他清楚地记得沈老师那番话，“做科学研究，项目是其次，也并不需要拘泥于一个方向，重要的还是在过程中发现有趣的物理。”这些话对于初出茅庐的吉亮亮而言格外受用，成为鼓励他向着多方向开拓的理念动力。

立足当下，步步为营。“目前，基于极端强场新物理的研究已经开展，而实验小组则正在加紧新型的微纳结构靶研制，为激光打靶做准备，这两方面的工作都得到了中国科学院先导专项的大力支持。”与此同时，作为物理实验主要设计人之一，吉亮亮参与推动“上海硬X射线自由电子激光装置—极端光物理线站”项目。项目在上海光机所研究员李儒新的带领下，拟于2024年建设100拍瓦的超强激光装置，对进一步探索真空的强场QED特性等研究具有重大意义。

研究工作有了长远的规划，但吉亮亮并不急于给自身背负太多任务。“科研工作一戒骄躁，二戒压力。长期处于高压和疲惫的状态，不但科研效率没法保证，人的思维能力和判断也会受到影响，容易做出错误的决定。”不徐不缓，不骄不躁，吉亮亮在稳健的前行中一步步完成着自己的理想。