沈百飞——超强激光的相对论效应学研究专家 沈百飞——中国科学院上海光学精密机械研究所研究员

科学研究：

研究方向：

从事X射线激光, 高次谐波, 超短超强激光和等离子体及原子分子相互作用等方面的研究, 目前主要研究超强激光的相对论效应和量子电动力学效应。

承担科研项目情况：

1.启明星项目：“惯性约束聚变中若干物理问题的理论研究”。

2.启明星项目：“强激光产生正负电子对和强伽玛射线”项目。

3.国家973计划项目：“超强光场驱动的高性能高能粒子束的产生及其应用开拓”。

科研成果：

在相对论性超强超快激光与物质的相互作用基础研究中获得多项原创性重要研究成果，得到国际同行学术界的高度评价。

发明专利：

1 用强激光产生飞秒兆伏能量电子束的方法 王晓方; 汪权东; 沈百飞 中国科学院上海光学精密机械研究所 2002- 09-04

资料更新中……

 

论文专著：

 

出版专著：

《惯性聚变物理》（译） 科学出版社 2008年

发表论文：

1 高能量密度下激光粒子加速等研究的最新进展和展望 沈百飞; 张晓梅 激光与光电子学进展 2010-09-10

2 基于激光引导的静电激波产生单能重离子束 吉亮亮; 沈百飞; 张晓梅; 王凤超; 金张英; 李雪梅; 温猛 激光与光电子学进展 2009- 02-10

3 激光与薄膜靶相互作用产生准单周期相对论脉冲与高能质子束 沈百飞; 吉亮亮; 张晓梅 激光与光电子学进展 2010-03-10

4 高能离子在稠密等离子体中的传输和能量沉积 李雪梅; 沈百飞; 查学军; 方宗豹; 张晓梅; 金张英; 王凤超 物理学报 2006-05-12

5 利用整形激光脉冲压缩薄膜靶得到中子源 张晓梅; 沈百飞 光学学报 2006-10-30

6 强激光在窄通道中传播的理论研究 金张英; 沈百飞; 方宗豹; 张晓梅; 李雪梅; 王凤超 光学学报 2006-12-30

7 稠密等离子体层的透明性 陈强; 沈百飞 光学学报 2004-02-17

8 强激光和超薄等离子体薄膜相互作用产生高次谐波 帅斌; 沈百飞; 李儒新; 徐至展 光学学报 2002-10-17

9 在激光等离子体中产生高电荷态离子的新途径 王晓方; 沈百飞; 徐至展 光学学报 1994-08-05

10 激光等离子体电子密度测量的新方法 沈百飞; 徐至展; 李儒新 科学通报 1994-10-23

11 组态相互作用效应对类钠铜离子自电离速率和分支比的影响 滕华国; 沈百飞; 张文琦; 徐至展 物理学报 1994-02-28

12 类锂硅软X射线激光模拟 沈百飞 ; 王晓方; 徐至展; 滕华国; 张文琦; 周忠源; 潘守甫 光学学报 1995-01-05

13 实现水窗波段X射线激光的途径 沈百飞; 徐至展 光学学报 1995-06-05

14 用共振线强度比作激光等离子体诊断 沈百飞; 张杰; 韩申生; 张正泉; 徐至展 光学学报 1995-06-05

15 耦合对相对论效应下的三次谐波的影响 曾贵华; 余玮; 沈百飞; 徐至展 光学学报 1995-10-05

16 高强激光直接驱动的压缩激波 余玮; 沈百飞; 徐至展; 冯贤平; 李萍; 邵雯雯 光学学报 1996-02-05

17 超强激光作用下相对论电子振荡所导致的谐波辐射 余玮; 王晓方; 沈百飞; 曾贵华; 张正泉; 徐至展 光学学报 1996-04-05

18 激光等离子体中由共振吸收诱发的高次谐波 余玮; 徐远; 沈百飞; 屈卫星; 徐至展 光学学报 1996-05-05

19 相对论相干三次谐波的饱和 曾贵华; 沈百飞; 余纬; 徐至展 光学学报 1996- 05-05

20 强激光和稠密等离子体相互作用产生的三次谐波 沈百飞; 余玮; 曾贵华; 徐至展 光学学报 1996-07-05

21 稀薄等离子体中的超短强激光脉冲孤子及尾波孤子 程亚; 徐至展; 沈百飞; 余玮 光学学报 1996-09-05

22 超强激光的等离子体烧孔效应 余玮; 沈百飞; 宋向阳; 邵雯雯; 徐至展 光学学报 1996-11-05

23 超强激光等离子体相互作用中产生的三次谐波 沈百飞; 余玮; 曾贵华; 徐至展 中国科学(A辑 数学 物理学 天文学 技术科学) 1996-03-15

24 高阶相对论谐波辐射的理论研究 曾贵华; 余玮; 沈百飞; 徐至展 物理学报 1996-09-30

25 隧道电离产生的高次谐波 沈百飞; 余玮; 曾贵华; 徐至展 光学学报 1997-01-05

26 等离子体波导中的复合X射线激光 沈百飞; 徐至展; 张正泉 光学学报 1997-04-05

27 相对论自聚焦对激光脉宽的要求 曾贵华; 余玮; 沈百飞 ; 徐至展 科学通报 1997-04-23

28 等离子体通道中的自生磁场 曾贵华; 余玮; 沈百飞; 徐至展 物理学报 1997-06-30

29 相对论电子的逆韧致吸收 程亚; 徐至展; 沈百飞 光学学报 1998-04-05

30 PtⅢ离子5d~8-5d~76p跃迁的极紫外光谱计算 滕华国; 徐至展; 沈百飞; 张文琦 光学学报 1993-01-31

31 类Li钙离子精细结构能级和软X射线光谱的理论计算 滕华国; 徐至展; 沈百飞; 张文琦; 王永昌; 袁萍 光学学报 1993-03-02

32 纯热传导冷却产生软X射线激光 沈百飞; 滕华国; 徐至展; 张文琦 光学学报 1993-09-28

33 类锂硅离子X射线激光谱线宽度和电子密度的空间分布 陆培祥; 张正泉; 徐至展; 范品忠; 沈百飞; 陈时胜 物理学报 1993- 03-02

34 “水窗”波段类氦Al离子2p-3dX射线激光的粒子数反转研究 徐至展; 韩申生; 沈百飞; 江志明; 孙岚; 范品忠; 王晓方; 钱爱娣 物理学报 1993-06-30

35 对应于铜离子X射线激光条件下的等离子体基本参数和光谱结构 冯贤平; 徐至展; 张正泉; 范品忠 ; 王晓芳; 沈百飞; 陆培祥; 陈时胜 光学学报 1991-09-28

36 铜到钼的类钠离子能级结构及软X射线光谱理论计算 沈百飞; 徐至展; 张文琦 光学学报 1991-09-28

37 等离子体中标势为多峰的相对论电磁孤子 方宗豹; 沈百飞; 张正泉 中国光学学会2006年学术大会论文摘要集 2006-09-01

38. Liangliang Ji，Baifei Shen(通信作者) ，Xiaomei Zhang，Fengcao Wang， Zhangyin Jin， Xuemei Li， Meng Wen, John Cary, Generating Monoenergetic Heavy-Ion Bunches with Laser-Induced Electrostatic Shocks, Phys. Rev. Lett. 101, 164802(2008).

39.K. Nemeth, Baifei Shen, Yuelin Li et al., Laser-driven coherent betatron oscillation in a laser-wakefield cavity, Phys. Rev. Lett. 100, 095002 (2008).

40.Baifei Shen, Yuelin Li, M. Y. Yu, and John Cary, Bubble regime for ion acceleration in a laser-driven plasma, Phys. Rev. E 76（快讯）, 055402(2007).

41. X. M. Li, Baifei Shen, X. M. Zhang, Z. Y. Jin, F. C. Wang, The diagnostics of density distribution for inhomogeneous dense DT plasmas using fast protons, LASER AND PARTICLE BEAMS 26, 139-145 (2008)

42. Baifei Shen, Yuelin Li, Karoly Nemeth, Hairong Shang, Yong-chul Chae, Robert Soliday, Robert Crowell, Edward Frank, William Gropp, and John Cary, “Electron injection by a nanowire in the bubble regime”, Phys. Plasmas 14, 053115 (2007)

43. Xiaomei Zhang, Baifei Shen, Xuemei Li, Zhangying Jin, and Fengchao Wang, “Multistaged acceleration of ions by circularly polarized laser pulse: Monoenergetic ion beam generation”, Phys. Plasmas 14, 073101 (2007)

44. Xiaomei Zhang, Baifei Shen et. al., Effect of plasma temperature on electrostatic shock generation and ion acceleration by laser, Physics of Plasmas 14, 113108（2007.

45. Xiaomei Zhang, Baifei Shen et. al., Efficient GeV ion generation by ultraintense circularly polarized laser pulse, Physics of Plasmas 14, 123108（2007）.

46. Fengchao Wang，Baifei Shen， Xiaomei Zhang，Xuemei Li，and Zhangying Jin, Electron acceleration by a propagating laser pulse in vacuum, Phys. Plasmas 14, 083102(2007)

47. Baifei Shen, Xiaomei Zhang , M. Y. Yu ， Laser-confined fusion, Phys. Rev. E 71 (快讯): 015401（2005）.

48.Baifei Shen And M.Y.Yu, Photon–photon scattering in a plasma channel, Phys. Plasmas, 10, 4570(2003)

49.Baifei Shen and M.Yu, Relativistic channeling by intense laser pulse in overdense plasmas, Phys. Rev. E 68， 036501（2003）

50. Baifei Shen, M.Y. Yu, High-intensity laser-field amplification between two foils, Phys. Rev. Lett.89, 275004(2002).

51. Baifei Shen and J.Meyer-ter-Vehn, Pair and gamma-photon production from a thin foil confined by two laser pulses, Phys. Rev. E 65, 016405(6 pages), 2002.

52. Baifei Shen and Zhizhan Xu, 2001, Transparency of an overdense plasma layer, Phys. Rev. E. 65, 056406(6 pages), 2001.

53. Baifei Shen and J.Meyer-ter-Vehn, high-density relativistic electron plasma confined between two laser pulses in a thin foil, Phys. Plasmas. 8(3), 1003-1010,(2001).

54. Baifei Shen and J.Meyer-ter-Vehn, high order harmonics and trans of sub-femtosecond pulses generated from an ultra thin foil, SPIE 4424, 324,(2000).

55. Baifei Shen and J.Meyer-ter-Vehn, Inverse free electron laser accelerator in a plasma channel, GSI-Report 2000-2，p80,(1999).

56. Baifei Shen, Wei Yu, Zhizhan Xu, Propagation of high-intensity short-pulse laser in overdense plasmas, Bulletin of The American Physical Society，43（8），1814 (1998).

57.Baifei Shen, Zhizhan Xu, Zhengquan Zhang, Wei Yu, Recombination x-ray laser of He-like nitrogen ions in a plasma waveguide, J.Opt.Soc. Am. B 14（4）， 970-973(1997).

58. Baifei Shen, Wei Yu, Guihua Zeng, Zhizhan Xu, high order harmonic generation due to nonlinear Thomson scattering，Optics Commu. 136（3），239-242(1997).

59. Baifei Shen, Wei Yu, Guihua Zeng, Zhizhan Xu, relativistic harmonic generation by intense laser in plasmas, Phys. Plasmas 2（12）， 4631-4634(1997).

 

 

荣誉奖励：

1.1994年获中科院院长优秀奖。

2.2001年获上海市科技启明星称号。

3.1999年、2002年两度获德国洪堡研究奖学金。

4.2003年入选中科院“百人计划”，并获财政部择优支持。

5.2004年获饶毓泰基础光学奖。

6.2009年入选上海市优秀学科带头人。

7.研究成果并连续评为2008和2009年中国光学重要成果。

媒体报道：

微小的粒子 跳跃的人生——记中科院上海光学精密机械研究所研究员沈百飞

沈百飞 1967年生，江苏启东人。1989年毕业于西安交通大学物理系,1994年获中国科学院上海光机所光学博士学位, 博士学位导师为徐至展院士，1997年晋升为研究员。1999年赴德国慕尼黑马普研究院量子光学研究所(MPQ)进行28个月的访问研究，2002年赴德国鲁尔大学进行一年访问研究，后来又先后访问过美国阿贡国家实验室和日本高能加速器研究机构（KEK）。1994年获中科院院长优秀奖，2001年获上海市科技启明星称号，1999年、2002年两度获德国洪堡研究奖学金。2003年入选中科院“百人计划”，并获财政部择优支持。2004年获饶毓泰基础光学奖。2009 年入选上海市优秀学科带头人。研究成果并连续评为2008和2009年中国光学重要成果。研究方向包括光学、超短超强激光物理、激光等离子体物理、激光聚变等领域。现承担多项重大科研项目。

早在上世纪八十年代末，沈百飞就与上海光学精密机械研究所所结下了不解之缘。从研究所的一名优秀博士生到研究员，他二十年如一日，用一个个平凡的脚印，拼织出一条华丽的科研之路。

科研路 硕果丰

沈百飞主要从事的是超短超强激光和等离子体相互作用的研究，特别是其中的相对论效应、量子电动力学效应和周期量级激光脉冲效应，重点关注在X射线激光、惯性约束聚变、激光加速高能电子、质子束等方面的应用。眺望沈百飞走过的科研之路，只见沉甸甸的硕果：发表SCI学术论文近一百篇，特别是在国际物理学顶级刊物Phys. Rev. Lett,上发表论文6篇（其中5篇为第一或通信作者），并被大量引用；与德国马普量子光学所、德国鲁尔大学物理系、美国阿贡国家实验室、日本KEK等建立了长期的合作研究关系，包括合作发表论文、共同指导研究生等。除此之外，他还——

1）建立了用于复合机制X射线激光数值模拟的完整程序库，其中包括原子参数计算程序、等离子体流体模拟程序、原子跃迁动力学和增益计算程序。在此基础上，进行了课题组X射线激光实验的数值模拟，并提出了一些实现复合机制X射线激光的新方案，如提出了在等离子体通道中实现复合机制X射线激光的方案以及实验中的诊断方法，如诊断电子密度的方法；

2）进行了激光聚变，特别是快点火方案的研究，取得了丰硕成果。对相对论强度超短脉冲激光在等离子体中传输、热电子的产生、高能电子（离子）传输和能量沉积这些快点火方案中的关键问题，进行了一系列的研究，比如研究了强激光在稠密等离子体中形成相对论通道所需的临界功率密度以及通道中的电场结构，这对确定点火激光能深入到多高的等离子体密度很有帮助；研究了周期量级相对论激光在等离子体中的孤子传输，发现具有陡峭边界的电磁孤子更易传输到较高的等离子体密度，并探讨了可能的超快点火方案；提出了不同于惯性约束的光压约束激光聚变方案，利用相对论强激光光压的约束作用得到高密度的高温等离子体，从而可获得高效的台式中子源，为飞秒中子源的概念的提出奠定了基础；提出在约束燃料核外利用系列激波形成高密度点火热斑再送入约束燃料核的惯性约束聚变点火新方案。翻译的关于惯性约束聚变理论的专著《惯性聚变物理》2008年已由科学出版社出版，该书获得多位权威专家的好评和大力推荐，成为我国相关领域不可或缺的中文参考书；参与撰写了《未来十年大科学装置发展前瞻》。

3）进行了超短超强激光等离子体相互物理研究，特别是相对论效应方面的应用，得到国际同行的关注和高度评价。研究了两束相向传播的超快超强激光和两个平行放置的薄膜（纳米量级厚度）靶的相互作用, 发现利用双薄膜靶对激光能量的约束效应，使激光强度可达到泵浦强度的一百倍, 这种超强电磁场在量子电动力学效应等方面具有重要意义；发现两束相对传播的圆偏振超高强度激光脉冲与薄膜靶的高度非线性相互作用，产生了空间上受限的超高密度（1023/cm3）相对论性等离子体新效应，该项重要发现引起了国际同行学术界的高度重视，国际著名同行科学家德国马普量子光学所Mever-ter-Vehn教授称赞该研究成果“通过描述超薄膜靶的动力学行为得到令人惊异的关于激光谐波的结果，是一项独一无二的杰出工作”。提出利用超短超强激光和厚度合适的纳米量级薄膜靶相互作用，产生相对论强度的准单周期相干电磁脉冲，大大突破了利用传统光学方法获得准单周期激光的强度限制，对产生高强度的阿秒脉冲等具有重要意义。该成果被《激光与光电子学进展》评为2009年中国光学重要成果。

4）在强激光加速产生高性能电子束和离子束这一强场激光十分重要的前沿领域进行开拓研究，取得了一些最新进展。研究了真空和等离子体尾波场电子加速，提出利用纳米细丝来控制电子在等离子体空泡中的注入和加速，在高能电子束其他性能不变的情况下，总电荷数远大于反向激光控制法，发现并仔细研究了空泡中高能电子束的精细结构，这一精细结构对实现台式自由电子激光十分有利，研究了真空中的电子加速，提出了获得亚飞秒高密度电子束的一种可能方法；研究了激光加速质子，最早提出的光压驱动加速已成为激光加速得到GeV量级质子束的最重要方案之一，提出利用空泡机制进行质子加速，利用加入重离子大大增强加速梯度和加速时间，利用这种机制可将质子加速到几十GeV的能量。深入研究了静电激波加速质子机制，在加速机制、多级加速、获得GeV质子、温度效应等方面的研究均取得进展。提出了利用静电激波加速获得准单能重离子的新方案，该项研究被《激光与光电子学进展》评为2008年中国光学重要成果；对光压整体加速，提出可以使用比原先认为的极限更薄的薄膜靶，从而可以更高效地加速离子。

5）进行了强激光量子电动力学效应的探索性研究，这一领域即使在国际上涉足的人也还不多。研究了等离子体通道中的一种量子电动力学效应：光光散射，具体方法是用线偏振X射线激光射入相对论强园偏振激光所形成的等离子体通道，由于光光散射，将产生可测量的一频率偏移的园偏振X光；研究了激光约束薄膜靶中产生的正负电子对，用两束330飞秒、7x1021W/cm2 的激光约束薄膜金靶可产生密度为 5x1022/cm3 和强度为7x1027/sr•s伽玛光。

新项目 新挑战

如今，沈百飞趁热打铁，又开始着手一个新的项目。有了之前这些研究成果的积累，沈百飞相信能够更加得心应手。他表示，今后一段时间的研究重点是强激光加速产生高性能的高能电子、离子束及其应用开拓。

加速粒子需要一个人工装置。粒子加速器就是用人工方法产生高速带电粒子的装置。物理学家发明这种装置的初衷，是希望籍此揭开宇宙神秘的面纱。随着科学技术的日新月异，加速器的能量以每十年提高大约十倍的惊人速率在增加，为科学家能够源源不断地获得新发现提供了保证。

然而传统的粒子加速器都是庞然大物，因为它们使用低频率的电磁波来加速，受限于加速器内微波共振腔的崩溃电场，每米能加速的电子能量有限，使用环形加速器虽然能节省空间，但是要让带电粒子在环形轨道高速运动，必须给予很大的向心加速度。向心加速度会使带电粒子发出辐射而损失能量，因此加速将愈来愈难。这种基于微波技术的加速器，很可能已接近技术和经济可行性的极限，其建造和运转费用已达到社会能够负担的极限，阻碍了基础物理的持续发展。以产生Ｘ光或医学应用为目的的加速器，也同样因为费用的问题，难以普及化。

直到20世纪90 年代初，超短脉冲超强激光的发展，为紧凑而高效的电子加速提供了一个全新的思路。这种利用超强飞秒激光产生高能电子、质子的研究引起了空前的关注。利用超短脉冲超强激光与等离子体作用激发尾波加速电子的设想比传统大型加速器的加速梯度大4～5个量级以上，大幅度降低费用，而且加速机制使得建造台式化加速器成为可能。当然，由于等离子体固有的各种不稳定性，等离子体加速得到的电子束性能在能量、总电荷数、能散度、空间发散度等方面通常都不如传统加速器。

接下来的研究有了飞速进展。2002年，激光电子加速取得重大进展；2004年美、英、法三国实验室同时实现了背景等离子体中电子的注入，得到了单能电子束，完成突破性进展；2006年，激光加速电子的能量得到进一步提高。这其间，一个新的面孔开始在该科研领域暂露头角，那便是沈百飞。

早在2001年沈百飞等就曾提出过激光光压直接加速机制，由于其在实现单能加速以及GeV质子加速方面的优点，正得到越来越多的关注。2009年已在实验上初步看到了光压加速所起的作用，并成功地将碳离子加速到约500MeV的能量。另外，沈百飞还提出空泡机制加速质子的新方案，利用混杂重离子来增加加速梯度，可将质子加速到几十GeV的能量，这一机制有望将质子加速到百GeV甚至更高的能量，对激光对比度的要求也相对较低，但要求驱动激光有很高的功率。目前国际上从事传统加速器研究的著名实验室也开始重视激光等离子体加速这一新思路。为此，美国阿贡国家实验室（拥有最先进的同步辐射光源）邀请沈百飞前往进行激光加速电子的研究，目前拥有最大质子加速器的费米实验室（美国最重要的物理学研究中心之一）也在筹建新概念加速器研究小组，并邀请沈百飞研究员介绍了国际上激光加速粒子研究的现状。

沈百飞认为，超短超强激光产生高性能高能电子、离子束的意义十分巨大。从长远看，极高能的电子束可用于正负电子对撞等高能物理实验，其极高的电子、离子密度可大大增加碰撞几率，这是其特别吸引人的特点之一。高密度高能电子束也为实现小型化自由电子激光提供了可能，可开拓其在癌症治疗、聚变靶丸诊断等方面的应用。

沈百飞介绍说，该项目以实现稳定性和重复性好、体积小、成本低、具有超高相位空间密度(位置和动量)的高性能高能电子、离子束为研究重点，根据激光等离子体加速电子理论模型，对超强激光脉冲与等离子体作用加速电子的物理过程进行数值模拟，深入研究“空泡”形成、演化、破裂的物理过程和规律。并结合实验研究探索电子注入的条件及控制手段，从而控制电子的加速过程，实现高能量、高性能、高稳定性和重复性的高性能电子束。在此基础上设计实验方案，搭建实验装置，进行实验研究，探索高能电子束能量、能量发散度、方向发散度等与激光强度、脉宽、聚焦半径、聚焦位置、等离子体密度等的关系，找到提高电子束能量和性能的方法。

沈百飞也热切地期待着更多的年轻人能加入团队，共同探索这未知世界。

科研是艰苦的，艰苦到局外人难以感同身受；科研是孤独的，孤独到没有故事可讲。十几年的科研岁月里，沈百飞就像他研究的那些肉眼看不见的微小的粒子，在飞速地跳跃和运动着，唯有在显微镜下，才能看到它们有多么美、多么热烈！

来源：科学中国人 2010-11-1