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(jí)躍遷到高能級(jí)，再?gòu)母吣芗?jí)回落到低能級(jí)時(shí)，所釋放的能量以光子的形式放出。這些被激發(fā)出來(lái)的光子光學(xué)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(tái)激光器誕生以來(lái)，科學(xué)家們一直尋求激光強(qiáng)度和性能的更大突破。超強(qiáng)超短激光就是一個(gè)典型，它的最大特點(diǎn)是“超強(qiáng)”和“超短”。“超強(qiáng)”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(wàn)億瓦)，這一功率相當(dāng)于全球所有發(fā)電機(jī)同時(shí)開(kāi)動(dòng)的總功率。“超短”是指這種激光持續(xù)的時(shí)間很短，達(dá)到了飛秒量級(jí)(1飛秒等于1千萬(wàn)億分之一秒)，這么短的時(shí)間內(nèi)，激光只能走一根頭發(fā)絲粗細(xì)的距離，不僅人眼無(wú)法識(shí)別，就連光電探頭也無(wú)法分辨。

目前，獲得超強(qiáng)超短激光最基本的方法，是由2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者穆魯和斯特里克蘭發(fā)明的啁啾脈沖放大技術(shù)。在激光的放大過(guò)程中，隨著激光能量的增加，激光的脈沖峰值功率會(huì)迅速升高，可能超過(guò)激光材料的損傷閾值，導(dǎo)致材料損壞。啁啾脈沖放大技術(shù)很巧妙地解決了這一難題，它將一個(gè)超短脈沖在時(shí)間上拉寬后再進(jìn)行能量的放大，當(dāng)脈沖拉寬時(shí)，功率也會(huì)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(nèi)。然后，再在時(shí)域上將脈沖壓縮到超短的水平，就可以極大增強(qiáng)激光脈沖的功率。實(shí)踐中，占地達(dá)1000平方米的龐大激光器輸出的超強(qiáng)超短激光，在極短時(shí)間內(nèi)峰值功率可達(dá)10拍瓦(1拍瓦等于1千萬(wàn)億瓦)，被稱(chēng)為“最亮光源”。

由于強(qiáng)度高、作用時(shí)間短，超強(qiáng)超短激光可以直接作用到物質(zhì)的原子、分子層面，這為它的廣泛應(yīng)用打開(kāi)了大門(mén)。超強(qiáng)激光可以在實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造只在恒星內(nèi)部或黑洞邊緣才具有的極端條件，例如超強(qiáng)的電磁場(chǎng)、超高的能量密度、超強(qiáng)的光壓等，為研究宇宙起源演化和物質(zhì)相互作用等提供必要條件。超強(qiáng)激光還可為治療癌癥提供“激光質(zhì)子刀”新方案，高能質(zhì)子由于定向沉積可用于靶向治療癌癥，超強(qiáng)激光可在厘米范圍內(nèi)將質(zhì)子加速到所需能量，該方案目前尚在實(shí)驗(yàn)階段。超短激光則在超快光學(xué)等領(lǐng)域大顯身手，科學(xué)家通過(guò)它能捕捉到非常高速的運(yùn)動(dòng)，哪怕是飛秒級(jí)的電子運(yùn)動(dòng)，也能被清晰地記錄。該類(lèi)激光在較低輸出功率下已被廣泛應(yīng)用于生物成像、眼科激光手術(shù)、精密加工等領(lǐng)域。此外，由于超強(qiáng)超短激光的光強(qiáng)特別高，穿過(guò)空氣時(shí)會(huì)電離成等離子體，可以利用它進(jìn)行天氣干預(yù)。隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，未來(lái)或?qū)⒛軐?shí)現(xiàn)激光引雷和激光誘導(dǎo)降雪。

2016年，我國(guó)實(shí)現(xiàn)了5拍瓦激光放大和脈沖壓縮輸出，刷新了當(dāng)時(shí)激光脈沖峰值功率的世界紀(jì)錄;2017年，我國(guó)成功實(shí)現(xiàn)了10拍瓦激光放大輸出，繼續(xù)保持國(guó)際同類(lèi)研究的領(lǐng)先水平。相信經(jīng)過(guò)科學(xué)家的不斷努力，超強(qiáng)超短激光研究將實(shí)現(xiàn)更大發(fā)展，給人們的未來(lái)帶來(lái)更加神奇的技術(shù)。(李沙沙)

(作者為中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所科學(xué)傳播主管)

《 人民日?qǐng)?bào) 》( 2020年04月24日 17 版)

關(guān)鍵詞： 激光應(yīng)用