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世上最強(qiáng)激光器激活!什么是啁啾脈沖放大技術(shù)?

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世上最強(qiáng)激光器激活!什么是啁啾脈沖放大技術(shù)

姬揚(yáng)

2024年4月有新聞報(bào)道說,位于羅馬尼亞的一家高科技中心最近激活了世界上最強(qiáng)大的激光器。激光器我們都聽說過,知道它是一種很厲害的光源,發(fā)出來的光就是激光,強(qiáng)度大、方向性好、應(yīng)用范圍廣,但是,這個(gè)新聞里的“世界上最強(qiáng)大”體現(xiàn)在哪里呢?它是怎么實(shí)現(xiàn)的呢?大家好,我是姬揚(yáng),今天就來講講這些事。

發(fā)光的東西就是光源,它把能量轉(zhuǎn)化為光。比如說,燃燒的蠟燭把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為光,明亮的太陽把原子能轉(zhuǎn)化為光,發(fā)光二極管把電能轉(zhuǎn)化為光。怎么比較這些光的強(qiáng)弱呢?這就需要考慮幾個(gè)因素,包括光的能量、照射面積和持續(xù)時(shí)間,等等。

先考慮能量。羅馬尼亞激光器發(fā)出的是脈沖式的激光,每個(gè)激光脈沖的能量大約是10焦耳,相當(dāng)于一瓶大可樂(大約1公斤)從1米高的桌子掉到地面上獲得的能量。如果砸到了你的腳上,會(huì)覺得有點(diǎn)疼,但也還能忍受。

然后是照射面積。同樣的能量施加在不同的面積上,效果是很不一樣的。這跟用手按圖釘?shù)牡览硎且粯拥模鹤饔迷趫D釘帽上的力和圖釘尖上的力一樣大,但是你的手指不會(huì)受傷,就可以把圖釘按進(jìn)木板里。普通光源發(fā)出來的光朝著四面八方走,激光具有很好的方向性,光的能量可以聚集在很小的面積上,所以強(qiáng)度(也就是通常說的光強(qiáng))非常大。在四月份的中午,巴掌大的地面上每秒鐘接受的太陽光能量大約就是10焦耳,而羅馬尼亞激光器的光束寬度只有幾毫米,所以它們的光強(qiáng)也就差出幾十萬、幾百萬倍了。

還要考慮持續(xù)的時(shí)間。能量除以時(shí)間,就是我們通常說的功率。同樣的能量在不同的時(shí)間長度里釋放出來,功率是很不一樣的,效果也是大不相同的。比如說,小明扶著老奶奶過馬路,和警察一腳踹在流氓的屁股上,他們付出的總能量可能差不多,但是老奶奶安全地到達(dá)了馬路對(duì)面,而壞人卻直接來了個(gè)嘴啃泥。太陽光是均勻連續(xù)地照射,脈沖式激光器把有限的能量壓縮在很短的一段時(shí)間里釋放,所以瞬間的爆發(fā)效果就更加驚人了。

簡單地說,衡量一束光的強(qiáng)弱,就是把光的能量除以照射面積,再除以持續(xù)時(shí)間。同樣大小的能量,照射的面積越小,持續(xù)的時(shí)間越短,光的峰值功率就越大。

羅馬尼亞激光器能夠讓激光脈沖在1飛秒內(nèi)達(dá)到10拍瓦的峰值,也就是說,把10焦耳的光能量壓縮到1飛秒也就是1000萬億分之一秒的光脈沖里。這是很難做到的,不僅因?yàn)?飛秒是很短的時(shí)間,還因?yàn)檫@個(gè)峰值功率太大了,什么材料都承受不起,都會(huì)被燒壞。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)了不起的成就,必須采用法國科學(xué)家穆魯在上個(gè)世紀(jì)80年代發(fā)明的啁啾脈沖放大技術(shù),在保證激光強(qiáng)度的同時(shí)提升其功率。

自從1960年發(fā)明激光器以來,科學(xué)家們就一直努力提高激光的各項(xiàng)指標(biāo),對(duì)于脈沖激光器來說,兩個(gè)重要的目標(biāo)是增大單個(gè)脈沖的能量和縮短脈沖的寬度。通過調(diào)Q、鎖模和克爾透鏡鎖模等超快激光技術(shù),科學(xué)家可以把激光脈沖從毫秒的量級(jí)提高到納秒、皮秒乃至飛秒的量級(jí),但是,提高單個(gè)脈沖激光的能量,需要在增益介質(zhì)(也就是激光晶體)中對(duì)激光脈沖進(jìn)行放大,困難就來了。超高的激光峰值功率會(huì)對(duì)增益介質(zhì)造成損害,增大激光光束直徑,有助于降低它的峰值功率,但是效果不是特別明顯,還對(duì)激光晶體的生長也提出了不切實(shí)際的要求。啁啾脈沖放大技術(shù)就應(yīng)運(yùn)而生了。

激光是量子現(xiàn)象,也要服從量子力學(xué)的規(guī)律。根據(jù)測不準(zhǔn)原理,當(dāng)激光脈沖很短的時(shí)候,激光的波長就有一定的分布范圍。利用光柵或者光纖可以把不同波長的光分開,讓它們經(jīng)過長短不同的路徑以后再重新匯合,這樣就可以把脈沖的持續(xù)時(shí)間拉長,不同波長也就是頻率的光到達(dá)的時(shí)間是不一樣的,仿佛鳥叫聲的婉轉(zhuǎn)起伏,所以這個(gè)現(xiàn)象就叫作“啁啾”。適當(dāng)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以把激光脈沖的寬度拉長幾萬倍甚至幾十萬倍,從飛秒的量級(jí)拉伸到皮秒甚至納秒,在此過程中,由于能量守恒,激光脈沖的峰值能量也會(huì)下降相應(yīng)的倍數(shù)。當(dāng)然,反過來也可以,把納秒或者皮秒的激光脈沖壓縮到飛秒的量級(jí)。

啁啾脈沖放大技術(shù)的工作原理是這樣的:首先生成一個(gè)小能量的超短激光脈沖(這就是種子光),然后在時(shí)間上把它拉伸成一個(gè)寬脈沖,隨后通過激光晶體進(jìn)行放大,因?yàn)榇藭r(shí)的脈沖寬度很大,峰值功率很低,即使放大很多倍也不會(huì)損壞激光晶體,單個(gè)脈沖可以擁有很高的能量,然后在反過來應(yīng)用啁啾系統(tǒng),把這個(gè)能量很大但持續(xù)時(shí)間也很長的激光脈沖擠壓到很短的時(shí)間里,就可以得到能量很大、持續(xù)時(shí)間很短的激光脈沖了。

啁啾激光放大技術(shù)非常重要,羅馬尼亞激光器只是一個(gè)典型的代表,那里的科學(xué)家們充分發(fā)揮了現(xiàn)有的技術(shù)手段,也許還發(fā)明了而一些新的方法,才創(chuàng)造出迄今最短、最強(qiáng)烈的激光脈沖,把10焦耳的光能量壓縮到1飛秒的超短時(shí)間里。現(xiàn)在從事這方面的研究的國家有很多,我國也有一些單位做出了非常出色的工作。

隨著激光科學(xué)和技術(shù)的進(jìn)步,高強(qiáng)度的超短光脈沖在很多領(lǐng)域比如粒子物理學(xué)、核物理學(xué)、醫(yī)學(xué)等都展現(xiàn)了自己的價(jià)值。我們希望它在將來會(huì)有更多的進(jìn)展,得到更廣泛的應(yīng)用。

本文為科普中國·星空計(jì)劃扶持作品

作者名稱:姬揚(yáng)

審核:左玉華 中科院半導(dǎo)體研究所研究員

出品:中國科協(xié)科普部

監(jiān)制:中國科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

內(nèi)容資源由項(xiàng)目單位提供

評(píng)論
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世界最強(qiáng)激光器的激活,不僅是科學(xué)技術(shù)的一次飛躍,更是人類智慧的一次集中展現(xiàn)。它讓我們看到了光的力量,也讓我們對(duì)未來充滿了期待。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,我們有理由相信,啁啾脈沖放大技術(shù)將在更多領(lǐng)域發(fā)揮其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),引領(lǐng)人類走向更加美好的未來。
2024-05-11
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隨著激光科學(xué)和技術(shù)的進(jìn)步,高強(qiáng)度的超短光脈沖在很多領(lǐng)域比如粒子物理學(xué)、核物理學(xué)、醫(yī)學(xué)等都展現(xiàn)了自己的價(jià)值,期待將來會(huì)有更多的進(jìn)展,也能應(yīng)用到更廣泛的領(lǐng)域。
2024-05-11
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隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,高強(qiáng)度超短光脈沖有望促進(jìn)從醫(yī)學(xué)到基礎(chǔ)物理以及太空等多個(gè)領(lǐng)域取得革命性進(jìn)展。未來,超高強(qiáng)度激光的發(fā)展前景必定引人入勝,絢麗多彩!
2024-05-11