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我國超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置已向世界開放

科普吉林
吉林省科學(xué)技術(shù)協(xié)會的官方科普號
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當(dāng)前,10拍瓦(1拍瓦=1千萬億瓦)級別的激光建設(shè),是世界各國的“兵家必爭之地”。而世界首臺10拍瓦激光實(shí)驗(yàn)裝置就位于我國的浦東張江。

| 激光的原理

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態(tài)放出。這些被激射出來的光子,光學(xué)特性高度一致,因而激光比較一般光源具有單色性、方向性好,亮度更高的特性。

自1960年第一臺激光器誕生以來,科學(xué)家們一向?qū)で蠹す鈴?qiáng)度和功用的更大突破。超強(qiáng)超短激光便是一個典型,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,這一功率相當(dāng)于全球悉數(shù)發(fā)電機(jī)一同開動的總功率。

?“超短”是指這種激光持續(xù)的時刻很短,達(dá)到了飛秒量級,這么短的時間內(nèi),激光只能走一根頭發(fā)絲粗細(xì)的間隔,不只人眼無法辨認(rèn),就連光電探頭也無法分辯。

超強(qiáng)超短激光是人類目前已知的最亮光源,其發(fā)展已經(jīng)成為國際科技競爭重大前沿之一。

▏啁啾(zhōu jiū)脈沖擴(kuò)展技能

目前,取得超強(qiáng)超短激光最基本的辦法,是由2018年諾貝爾物理學(xué)獎取得者穆魯和斯特里克蘭發(fā)明的啁啾脈沖擴(kuò)展技能。在激光的擴(kuò)展進(jìn)程中,隨著激光能量的添加,激光的脈沖峰值功率會不斷升高,甚至超過激光材料的承受極限,導(dǎo)致材料損壞。啁啾脈沖擴(kuò)展技能很好地處理了這一難題。

其第一步是用振蕩器產(chǎn)生一個短脈沖并把它拉長,這一過程使脈沖的強(qiáng)度下降,然后就可以用標(biāo)準(zhǔn)的激光放大方法來放大這個脈沖。最后一步則是用一臺結(jié)實(shí)的裝置(如真空中的一對衍射光柵)將脈沖重新壓縮回它原先的長度,這樣就使它的功率大大提高,超出放大器功率極限的很多倍。

舉例說明,最初的種子脈沖其長度為l00飛秒,能量為0.2納焦耳。我們把它拉長10000倍,使其長度變?yōu)?納秒(其功率則從大約2千瓦降低到0.2瓦)。然后把它放大10000個數(shù)量級,這樣它的能量就增加到2焦耳,功率增加到2千瓦。把這個脈沖的長度重新壓縮到100飛秒,就使功率增加到20萬億瓦。如果沒有這項(xiàng)技術(shù),讓最初那個功率為2千瓦的脈沖穿過臺式放大器就可能導(dǎo)致放大器被毀。

▏我國的超強(qiáng)超短激光裝置

我國超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置(SULF)有個富有詩意的名字:羲和,這是《山海經(jīng)》中記載的生下十個太陽的女神。

科研團(tuán)隊(duì)介紹說,“假如地球外面有一個非常大的透鏡,可以把照射在地球上的所有太陽光聚焦在一根頭發(fā)絲上,就相當(dāng)于1個拍瓦能產(chǎn)生的光強(qiáng),那么10拍瓦就相當(dāng)于10個太陽的光強(qiáng)。因此,我們把裝置起名為‘羲和’?!?/p>

2017年10月24日,裝置實(shí)現(xiàn)10.3拍瓦激光放大輸出,在國際上首次實(shí)現(xiàn)300焦耳以上能量水平的寬帶激光放大輸出,脈沖壓縮后寬度為21飛秒。2019年12月7日,裝置獲得激光中心波長為800納米,輸出能量404焦耳,重復(fù)頻率3分鐘/發(fā)次,壓縮后脈沖寬度達(dá)24.6飛秒,平均峰值功率11.7拍瓦(最高峰值功率12.9拍瓦)的結(jié)果,再次打破世界紀(jì)錄。

同時,依托該裝置,科研團(tuán)隊(duì)成功研制了國際最大口徑鈦寶石晶體等核心器件。項(xiàng)目取得的成果,被國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》(Science)列舉為國際上自1960年第一臺激光器發(fā)明以來在激光脈沖功率提升方面的取得第五大里程碑式進(jìn)展。

令人振奮的是,雖然全球都有這方面的科研“競賽”,但我國是首個實(shí)現(xiàn)10拍瓦輸出并能向用戶開放的國家。歐盟、美國、韓國等都有類似計(jì)劃,歐盟的相關(guān)計(jì)劃起步較早,雖然近期達(dá)到10拍瓦輸出,但還沒有提供物理實(shí)驗(yàn)的能力。

▏超強(qiáng)超短激光的應(yīng)用

因?yàn)閺?qiáng)度高、效果時刻短,超強(qiáng)超短激光能夠直接效果到物質(zhì)的原子、分子層面,這為它的廣泛應(yīng)用翻開了大門。

?超強(qiáng)激光能夠在試驗(yàn)室發(fā)明只在恒星內(nèi)部或黑洞邊際才具有的極點(diǎn)條件,例如超強(qiáng)的電磁場、超高的能量密度、超強(qiáng)的光壓等,為研討世界來歷演化和物質(zhì)互相效果等供給必要條件。

?超強(qiáng)激光還可為醫(yī)治癌癥供給“激光質(zhì)子刀”新計(jì)劃,高能質(zhì)子因?yàn)槎ㄏ蚨逊e可用于靶向醫(yī)治癌癥。

?超短激光則在超快光學(xué)等范疇大顯神通,科學(xué)家通過它能捕捉到十分高速的運(yùn)動,哪怕是飛秒級的電子運(yùn)動,也能被清楚地記載。該類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)、精細(xì)加工等范疇。

?超強(qiáng)超短激光的光強(qiáng)特別高,穿過空氣時會電離成等離子體,能夠利用它進(jìn)行氣候干與。隨著激光技能的不斷探索,未來或?qū)⒛軐?shí)現(xiàn)激光引雷和激光誘導(dǎo)降雪。

目前,“羲和”激光裝置面向國內(nèi)外高校、科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)開放,提供先進(jìn)的物質(zhì)科學(xué)與生命科學(xué)研究手段,已與數(shù)十家科研單位簽訂意向協(xié)議。質(zhì)子加速、電子加速、高亮度等離子體高次諧波和阿秒脈沖產(chǎn)生等實(shí)驗(yàn)正在進(jìn)行中。而裝置的激光條件也吸引了世界上其他地區(qū)的科學(xué)家,希望利用這臺激光裝置開展聯(lián)合研究。

目前,“羲和”已經(jīng)成為世界上穩(wěn)定輸出的最高功率激光實(shí)驗(yàn)裝置,未來,科研團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)一步建設(shè)100拍瓦的激光裝置。

(圖片來源于網(wǎng)絡(luò))作者 | 顧俊哲計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)碩士,畢業(yè)后從事網(wǎng)絡(luò)信息收集與整理工作,關(guān)注大眾科普知識,探索前沿科技。

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