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超強超短激光應用前景廣闊

2020-04-24 人民日報
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  激光,原子受激輻射的光。其原理是原子中的電子吸收能量后從低能級躍遷到高能級,再從高能級回落到低能級時,所釋放的能量以光子的形式放出。這些被激發出來的光子光學特性高度一致,因此激光相比普通光源單色性、方向性好,亮度更高。

  自1960年第一臺激光器誕生以來,科學家們一直尋求激光強度和性能的更大突破。超強超短激光就是一個典型,它的最大特點是“超強”和“超短”。“超強”是指這種激光的峰值功率一般大于1太瓦(1太瓦等于1萬億瓦),這一功率相當于全球所有發電機同時開動的總功率。“超短”是指這種激光持續的時間很短,達到了飛秒量級(1飛秒等于1千萬億分之一秒),這么短的時間內,激光只能走一根頭發絲粗細的距離,不僅人眼無法識別,就連光電探頭也無法分辨。

  目前,獲得超強超短激光最基本的方法,是由2018年諾貝爾物理學獎獲得者穆魯和斯特里克蘭發明的啁啾脈沖放大技術。在激光的放大過程中,隨著激光能量的增加,激光的脈沖峰值功率會迅速升高,可能超過激光材料的損傷閾值,導致材料損壞。啁啾脈沖放大技術很巧妙地解決了這一難題,它將一個超短脈沖在時間上拉寬后再進行能量的放大,當脈沖拉寬時,功率也會變得很低,即使能量提高很多倍,脈沖峰值功率也能保持在材料可承受范圍內。然后,再在時域上將脈沖壓縮到超短的水平,就可以極大增強激光脈沖的功率。實踐中,占地達1000平方米的龐大激光器輸出的超強超短激光,在極短時間內峰值功率可達10拍瓦(1拍瓦等于1千萬億瓦),被稱為“最亮光源”。

  由于強度高、作用時間短,超強超短激光可以直接作用到物質的原子、分子層面,這為它的廣泛應用打開了大門。超強激光可以在實驗室創造只在恒星內部或黑洞邊緣才具有的極端條件,例如超強的電磁場、超高的能量密度、超強的光壓等,為研究宇宙起源演化和物質相互作用等提供必要條件。超強激光還可為治療癌癥提供“激光質子刀”新方案,高能質子由于定向沉積可用于靶向治療癌癥,超強激光可在厘米范圍內將質子加速到所需能量,該方案目前尚在實驗階段。超短激光則在超快光學等領域大顯身手,科學家通過它能捕捉到非常高速的運動,哪怕是飛秒級的電子運動,也能被清晰地記錄。該類激光在較低輸出功率下已被廣泛應用于生物成像、眼科激光手術、精密加工等領域。此外,由于超強超短激光的光強特別高,穿過空氣時會電離成等離子體,可以利用它進行天氣干預。隨著激光技術的不斷發展,未來或將能實現激光引雷和激光誘導降雪。

  2016年,我國實現了5拍瓦激光放大和脈沖壓縮輸出,刷新了當時激光脈沖峰值功率的世界紀錄;2017年,我國成功實現了10拍瓦激光放大輸出,繼續保持國際同類研究的領先水平。相信經過科學家的不斷努力,超強超短激光研究將實現更大發展,給人們的未來帶來更加神奇的技術。

  (作者:李沙沙,為中國科學院上海光學精密機械研究所科學傳播主管)

打印 責任編輯:侯茜

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