“超強(qiáng)超短激光被稱為最亮光源，能提供前所未有的極端物理?xiàng)l件與全新實(shí)驗(yàn)手段，利用它能探索到自然界更多的奧秘。”日前，在“暑期院士專家系列講壇”活動(dòng)第二場“探秘激光-從在地球上造小太陽說起”主題講座活動(dòng)中，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所所長李儒新說。那什么是超強(qiáng)超短激光？超強(qiáng)超短激光能產(chǎn)生哪些極端條件？為什么要研究超強(qiáng)超短激光？活動(dòng)現(xiàn)場，李儒新對(duì)這些問題一一進(jìn)行解答。
什么是超強(qiáng)超短激光？它有什么特點(diǎn)？
超強(qiáng)超短激光一般指峰值功率大于1太瓦（1太瓦=1萬億瓦），脈沖寬度小于100飛秒（1飛秒等于1千萬億分之一秒）的激光。李儒新介紹，超強(qiáng)超短激光的最大特點(diǎn)是“強(qiáng)”和“短”，“短”是指時(shí)間上非常短，很快。
超強(qiáng)超短激光的“超強(qiáng)”“超短”有什么作用？
利用“超短”的特點(diǎn)，激光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)，也能清晰地記錄下來。
而對(duì)于“超強(qiáng)”，他表示，“超強(qiáng)”激光可以為科學(xué)研究創(chuàng)造更多極端條件，例如，超高的能量密度、超強(qiáng)的光壓等，這些極端條件一般在恒星內(nèi)部或是黑洞邊緣才會(huì)產(chǎn)生，對(duì)科學(xué)研究非常有幫助。
假如我們想研究太陽內(nèi)部物質(zhì)的狀態(tài)，以人類目前的科學(xué)水平，還無法靠近太陽，所以也難以進(jìn)行研究，但有了超強(qiáng)超短激光，科研人員可以利用它將一個(gè)物體加熱至像太陽一樣的溫度，同時(shí)，用強(qiáng)激光從四面八方向物體施壓，使物體達(dá)到高密度狀態(tài)，因此科研人員就能模擬出像太陽一樣的環(huán)境條件，在地球上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
除了能在實(shí)驗(yàn)室模擬天體物理?xiàng)l件以外，超強(qiáng)超短激光還能廣泛應(yīng)用于激光清洗、超快激光以及材料切割、加工等領(lǐng)域。
怎么制造超強(qiáng)超短激光？
李儒新分享，雖然在1960年時(shí)激光器已經(jīng)被發(fā)明出來，但科學(xué)家們從未停止在其性能上尋求更大突破，在這個(gè)過程中諸多新技術(shù)、新方法不斷涌現(xiàn)，而目前獲得超強(qiáng)超短激光最基本的方法則是2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者熱拉爾·穆魯和唐娜·斯特里克蘭發(fā)明的“啁啾脈沖放大”技術(shù)。
在激光的放大過程中，如果增加激光的能量，激光的功率就會(huì)迅速升高，可能超過激光材料的損傷閾值導(dǎo)致材料被破壞。這也是此前激光的功率提升中遇到的一大瓶頸?！啊泵}沖放大’技術(shù)則很巧妙地解決了這一難題?！崩钊逍陆榻B，“啁啾脈沖放大”技術(shù)能將一個(gè)短脈沖在時(shí)間上拉寬后再進(jìn)行能量的放大，然后再進(jìn)行時(shí)間上的壓縮，當(dāng)脈沖拉寬時(shí)，功率也會(huì)變得很低，即使能量達(dá)到很高的倍數(shù)，功率也能保持在一定可承受范圍內(nèi)，材料也不會(huì)被破壞。然后，再在時(shí)域上對(duì)脈沖進(jìn)行壓縮，這樣則可以極大增強(qiáng)激光脈沖的功率。
2013年，我國實(shí)現(xiàn)了當(dāng)時(shí)最高峰值功率2拍瓦激光輸出；2016年8月，我國實(shí)現(xiàn)了5拍瓦激光放大和脈沖壓縮輸出，刷新了激光脈沖峰值功率的世界紀(jì)錄；2017年10月，我國成功實(shí)現(xiàn)了10拍瓦激光放大輸出，達(dá)到國際同類研究的領(lǐng)先水平。回顧我國超強(qiáng)超短激光研究歷程，李儒新稱并非一路坦途，經(jīng)過無數(shù)科學(xué)家的不斷努力，才實(shí)現(xiàn)了從追趕到局部領(lǐng)跑的跨越。
主題講座后，李儒新與中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所副所長陳衛(wèi)標(biāo)、中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場激光物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任冷雨欣圍繞大型激光裝置發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢、超強(qiáng)超短激光未來研究趨勢等熱點(diǎn)問題進(jìn)行熱烈討論。
本次活動(dòng)由上海市新聞出版局、上海市科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)主辦，上海科協(xié)大講壇、科普中國-科技前沿大師談、上海市激光學(xué)會(huì)、上海市科普作家協(xié)會(huì)等承辦，上海市科普作家協(xié)會(huì)秘書長江世亮主持活動(dòng)，活動(dòng)吸引了300余人參加。
作者：鐘艷平
本作品為“科普中國-科技前沿大師談”原創(chuàng)
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