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超强超短激光应用前景广阔(科技大观)

李沙沙

2020年04月24日08:26  来源:人民网-人民日报
 

  激光,原子受激辐射的光。其原理是原子中的电子吸收能量后从低能级跃迁到高能级,再从高能级回落到低能级时,所释放的能量以光子的形式放出。这些被激发出来的光子光学特性高度一致,因此激光相比普通光源单色性、方向性好,亮度更高。

  自1960年第一台激光器诞生以来,科学家们一直寻求激光强度和性能的更大突破。超强超短激光就是一个典型,它的最大特点是“超强”和“超短”!俺俊笔侵刚庵旨す獾姆逯倒β室话愦笥1太瓦(1太瓦等于1万亿瓦),这一功率相当于全球所有发电机同时开动的总功率!俺獭笔侵刚庵旨す獬中氖奔浜芏,达到了飞秒量级(1飞秒等于1千万亿分之一秒),这么短的时间内,激光只能走一根头发丝粗细的距离,不仅人眼无法识别,就连光电探头也无法分辨。

  目前,获得超强超短激光最基本的方法,是由2018年诺贝尔物理学奖获得者穆鲁和斯特里克兰发明的啁啾脉冲放大技术。在激光的放大过程中,随着激光能量的增加,激光的脉冲峰值功率会迅速升高,可能超过激光材料的损伤阈值,导致材料损坏。啁啾脉冲放大技术很巧妙地解决了这一难题,它将一个超短脉冲在时间上拉宽后再进行能量的放大,当脉冲拉宽时,功率也会变得很低,即使能量提高很多倍,脉冲峰值功率也能保持在材料可承受范围内。然后,再在时域上将脉冲压缩到超短的水平,就可以极大增强激光脉冲的功率。实践中,占地达1000平方米的庞大激光器输出的超强超短激光,在极短时间内峰值功率可达10拍瓦(1拍瓦等于1千万亿瓦),被称为“最亮光源”。

  由于强度高、作用时间短,超强超短激光可以直接作用到物质的原子、分子层面,这为它的广泛应用打开了大门。超强激光可以在实验室创造只在恒星内部或黑洞边缘才具有的极端条件,例如超强的电磁场、超高的能量密度、超强的光压等,为研究宇宙起源演化和物质相互作用等提供必要条件。超强激光还可为治疗癌症提供“激光质子刀”新方案,高能质子由于定向沉积可用于靶向治疗癌症,超强激光可在厘米范围内将质子加速到所需能量,该方案目前尚在实验阶段。超短激光则在超快光学等领域大显身手,科学家通过它能捕捉到非常高速的运动,哪怕是飞秒级的电子运动,也能被清晰地记录。该类激光在较低输出功率下已被广泛应用于生物成像、眼科激光手术、精密加工等领域。此外,由于超强超短激光的光强特别高,穿过空气时会电离成等离子体,可以利用它进行天气干预。随着激光技术的不断发展,未来或将能实现激光引雷和激光诱导降雪。

  2016年,我国实现了5拍瓦激光放大和脉冲压缩输出,刷新了当时激光脉冲峰值功率的世界纪录;2017年,我国成功实现了10拍瓦激光放大输出,继续保持国际同类研究的领先水平。相信经过科学家的不断努力,超强超短激光研究将实现更大发展,给人们的未来带来更加神奇的技术。

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  《 人民日报 》( 2020年04月24日 17 版)
(责编:申佳平、吕骞)
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