对话“追光者”林景全教授——解读2023年诺贝尔物理奖

10月3日,2023年诺贝尔物理学奖授予研究“阿秒光”的三位科学家皮埃尔・阿戈斯蒂尼、费伦茨・克劳斯、安妮・卢利尔,这是自1999年以来二十四年里诺贝尔物理奖第四次授予工作于超快激光领域的科学家。超快激光为什么这么受青睐?近日,记者采访了国内超快激光应用研究专家——林景全教授,听他解读阿秒光。

林景全教授是名副其实的“追光者”,1985年至1994年就读于“中国光学英才摇篮”长春光学精密机械学院,1995年至1999年就读于中科院长春光学精密机械研究所获得光学专业博士学位。2000年至2005年先后在日本电话电报公司基础所、独立行政法人日本产业技术综合研究所工作,2005年至2009年在慕尼黑大学与马普量子光学研究所联合实验室工作,在此期间是今年诺贝尔物理奖获得者费伦茨・克劳斯团队中的一员。在费伦茨・克劳斯教授指导下建立了世界首台阿秒光发射电子显微镜,用阿秒光电子显微镜开展超快等离激元的高时空分辨研究,并与费伦茨・克劳斯共同署名在《物理学杂志:凝聚态》上发表了他们在阿秒光电子显微镜研制方面所取得的成果。很快这一研究成果就被收录于德国著名科学仪器制造公司Omicron公司的产品手册中,用作展示产品性能。

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林景全与其建立的世界首台阿秒光发射电子显微镜

2009年林景全受邀回国到长春理工大学任教,2013年建立了国内首台超快光发射电子显微镜。现任长春理工大学物理学院教授,吉林省超快与极紫外光学重点实验室主任,长白山学者特聘教授,长春理工大学中山研究院极紫外光学与超快激光应用实验室主任,从事光学教学和超快激光研究与应用。

阿秒光是目前物理学最尖端最前沿的研究领域,记者为了这次报道做了大量功课才了解到这个领域的浅层概念,带着似懂非懂的疑问,与科学家以对话的方式打开了“一道通往超快激光的大门”。

阿秒光有什么用

阿秒是一个非常小的时间单位,1阿秒为10的负18次方秒,相比于文字描述的须臾、瞬间、刹那还要短很多倍数的时间。阿秒光可以简单理解为极其短时间里的光闪烁。

比阿秒大1千倍的时间单位为飞秒,飞秒激光技术已经商业化并且趋向成熟,主要得益于莫罗和斯崔克兰在1985年提出的啁啾脉冲放大技术,可以得到飞秒脉宽的超强激光。飞秒激光目前已广泛应用于医学、工业、科学研究、安保等,最为大众熟知的是飞秒激光近视治疗。

人类看见世界需要光,看浩渺巨大的外太空需要望远镜。如果要看到微观细小到肉眼不可见的电子运动,则需要用到阿秒光显微镜,观察它的运动规律,人们才可能掌握和使用它。

当前人类进入信息时代,人工智能推动着各领域的发展,而作为人工智能算法载体的智能芯片,受摩尔定律制约已经到了物理极限,无法再发展了。后摩尔时代,智能芯片的下一个方向光子芯片或者叫光量子芯片,就需要用阿秒光来探测其中的电子运动从而掌握其中的物理规律。鉴于阿秒光巨大的潜在应用价值,美国、欧洲、日本等将阿秒激光技术列为未来激光科学发展最重要的发展方向之一。

费伦茨・克劳斯对林景全的影响

林景全教授作为费伦茨・克劳斯团队曾经的一员,共事多年,聊到费伦茨・克劳斯,除了科研上的指导,费伦茨・克劳斯的工作方式让林景全印象深刻。费伦茨・克劳斯做任何事情都做到极致,当时团队50多人,重要文章的摘要一般由他亲自撰写,以确保准确反映出研究工作的核心观点;即便是到市民中心给社会大众做科普,为了让普通观众可以听懂他的演讲,费伦茨・克劳斯投入很多时间精力准备讲稿,长达一个多小时的演讲内容基本上都是以动画来描述;费伦茨・克劳斯是个工作狂人,一般欧洲人周末基本是不工作的,但费伦茨・克劳斯周末却很少休息,林教授的同事曾多次“抱怨”,时常在周末休息时会接到来自克劳斯的工作内容电话。

林景全教授深受费伦茨・克劳斯的影响,回国之后节假日很少休息,全身心投入工作。长期的深入钻研取得了多项成果,2023年林景全教授被评为“长春市特等劳动模范”。

我国在超快激光领域的发展情况

我国对激光技术一直非常重视,长期处于世界前列。激光1960年被发明,1961年中国诞生了第一台激光器,由“中国光学之父”王大珩创建的中国科学院长春光学精密机械研究所王之江院士带领团队研制成功。1964年钱学森院士提议取名为“激光”,既反映了“受激辐射”的科学内涵,又表明它是一种强烈的新能源。

2006年,激光技术列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》,成为重点发展的八项前沿技术之一。

2023年4月25日,由中科院物理研究所和广东松山湖材料实验室共同建设的阿秒科学中心在东莞松山湖正式启用,松山湖材料实验室将联合中科院物理所、西安光机所共建国内第一台先进阿秒激光设施,其中8条束线建设任务将落地东莞。

应用层面,目前中国激光加工产业应用全球领先,占全球市场约30%,其中大湾区集聚了很多头部的激光上下游企业,为支撑我国激光制造和应用起到了很大的作用。

林景全教授的研究方向及所取得的成果

当前激光物理领域的两个发展方向,一个是开发超强超短激光,另一个是利用激光对物质进行测量和精准调控。林景全教授主要研究方向包括超快激光光源、超快激光应用、光电子显微技术。

2009年7月,林景全教授回到长春理工大学任教,在长春理工大学科研启动专项的支持下建立了超快光学实验室,2013年建立了国内首台超快光发射电子显微镜。

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林景全在吉林省超快与极紫外光学实验室工作

目前林景全教授团队拥有科研人员16人,其中教授7人,副教授3人,具备从事相关领域科研和开发的能力,技术成果可应用于高端芯片制造、材料精密加工、功能性表面微纳结构制备及激光诱导光谱法元素微含量检测等领域。

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林景全团队成员参加2016年亚洲光电子会议

截至目前,林景全教授以第一或通讯作者在Applied Physics Letter,Physical Review系列杂志等国际著名学术期刊上发表SCI论文120余篇。作为第一完成人,获得吉林省科学技术奖二等奖1项。主持国家重点研发计划项目课题2项,国家自然科学基金重大和重点项目各1项,国家自然科学基金面上项目及国际合作8项。获授权发明专利15项,其中日本专利2项。

林景全教授实验室落户中山的原因

林景全教授目前担任长春理工大学中山研究院极紫外光学与超快激光应用实验室主任,问及林教授选择中山的原因,研究院的建院目标“全球视野、争创一流、服务湾区”正是他的回答。

例如,2018年全国工业激光产值855亿元,其中华南地区产值就高达320亿。中山是湾区光谷,中山光电产业不仅仅在广东,在全国都占据着举足轻重的位置。不同于一些地区的科研先行、产业在后,湾区是市场发展拉动对激光技术的需求,随着产业的发展壮大,形成了向高端、向全球领域快速发展的局面。科技创新是产业发展的源泉,而产业发展也会反哺科技的推进,两者互相促进、相辅相成,形成良性循环。

2008年,长春理工大学创始人兼第一任校长王大珩院士参加长春理工大学50周年校庆时为长理工题字“实践求是,审时度势,传承辟新,寻优勇进”,这也是长春理工大学中山研究院的院训,科研工作要面向国家重大战略需求。

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长春理工大学国家大学科技园大湾区园科技展厅

当前,林景全教授正全力建设中山研究院的极紫外光学与超快激光应用实验室,以长春理工大学中山研究院为基地,计划将多年来积累的科研成果进行转化,服务于湾区的光电产业,争取为大湾区的光电产业发展添砖加瓦。

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林景全教授接受采访

很长一段时间,飞秒被认为是光产生的极限,阿秒光的出现被认为是激光发展史上最重要的里程碑之一。阿秒光技术的发展,引发了X射线、自由电子激光、可控高温超导、超高分辨成像、电子信息处理等领域科学与技术层面的诸多重大突破。正如诺贝尔物理学委员会主席伊娃・奥尔森所说:阿秒光的出现为我们打开了电子世界的大门,为人类探索原子和分子内部的电子世界提供了新的工具,让我们有机会去理解和运用电子。

笃定初心,追光而行!超快激光进入阿秒时代,希望林教授和他所在的研究院超快发展!飞速前进!(作者:韦佩珊 陈晨)