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一見(jiàn)“強(qiáng)激光”，立刻想起星球大戰(zhàn)中的“光劍”，立刻想到奧特曼的光線必殺技，立刻想起《三體》中用激光武器抵抗最終讓人類敗得一塌糊涂的水滴，但最終還是想得太少了?！皬?qiáng)激光”一詞在我們的生活中出現(xiàn)的頻率越來(lái)越高，甚至一些小伙伴覺(jué)得科幻大片中的高科技武器快要實(shí)現(xiàn)不為奇怪。

但事實(shí)上，激光正在以諸多同具科幻色彩的應(yīng)用改變我們的生活。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用就有激光工業(yè)加工（焊接、切割、清洗等）、激光3D全息投影、激光通訊、激光操控細(xì)胞、激光無(wú)創(chuàng)手術(shù)等。在未來(lái)，激光還將有望在核聚變、激光引雷、量子計(jì)算、太空垃圾清掃、衛(wèi)星/飛船供能、宇宙探索、真空結(jié)構(gòu)研究、癌癥治療、激光推進(jìn)等不可勝數(shù)的方面獲得成功應(yīng)用。而這些科幻般的應(yīng)用絕大部分都離不開(kāi)接下來(lái)介紹的強(qiáng)激光。

圖1 戴拿-光線必殺技

強(qiáng)激光不是指某一種激光器，而是一大類激光器[1]。激光領(lǐng)域內(nèi)，不同研究方向的人們通常以高平均功率激光、大功率激光、高能激光、高功率激光、超短超強(qiáng)激光、超高峰值功率激光等來(lái)描述各自研究的強(qiáng)激光類型。

單從功率角度看，這些激光器都具有輸出功率高的特點(diǎn)，在英文中都可以譯為High Power Laser。因此，對(duì)于初步接觸激光器或者非相關(guān)領(lǐng)域的門外漢來(lái)說(shuō)，這些詞匯讓人摸不著頭腦，經(jīng)常容易混淆。然而，強(qiáng)激光有著意義重大的研究方向和應(yīng)用場(chǎng)景，而且正在改變我們的生活，有必要對(duì)其有一些常識(shí)性的了解。

接下來(lái)就通過(guò)簡(jiǎn)單的科普帶大家一探究竟。

聊強(qiáng)激光之前，我們先了解一下激光。激光（英文名：laser）是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”的縮寫(xiě)，即“通過(guò)受激輻射產(chǎn)生的光放大”。1964年錢學(xué)森（1911-2009，世界著名科學(xué)家，兩彈一星元?jiǎng)祝┙ㄗh將“l(fā)aser”命名為“激光”，“激光”一詞音義俱佳、朗朗上口，自此被正式使用。不過(guò)，我國(guó)臺(tái)灣、港澳地區(qū)到如今仍采用直接音譯的“鐳射”代指“l(fā)aser”。

那么，如何理解“激光是通過(guò)受激輻射產(chǎn)生的光放大”呢?首先引用激光之父——湯斯（Charles Townes，1915-2015，1964年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主）先生的話：“激光就是光的放大。當(dāng)光穿過(guò)物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)釋放了能量，把能量給了光?！边@是一句通俗且高度概括性的話，它告訴我們激光的產(chǎn)生源于光通過(guò)物質(zhì)時(shí)被不斷地放大。這里的物質(zhì)通常也被稱為增益介質(zhì)（gain medium），可以是由分子/原子構(gòu)成的固體、液體或氣體，也可以是等離子體氣體或者自由電子氣體。我想你可能已經(jīng)猜到受激輻射是光與物質(zhì)作用的某種過(guò)程，要真正理解這個(gè)過(guò)程，我們需要借助如圖2所示的能級(jí)圖。

物質(zhì)中的分子/原子既可以處于高能量狀態(tài)E₂，又可以處于低能量狀態(tài)E₁，但處于高能態(tài)E₂的分子總是不穩(wěn)定的，它喜歡向低能態(tài)E₁“跳躍”，“跳躍”過(guò)程中能量會(huì)以光子的形式釋放，我們將其稱為輻射。

如果這種“跳躍”是自發(fā)進(jìn)行的（沒(méi)有入射光激發(fā)），我們就把這種“跳躍”釋放光子的過(guò)程稱為自發(fā)輻射，這種自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子之間是沒(méi)有關(guān)聯(lián)的（不相干的），這也是普通光源的發(fā)光原理。如圖2所示，一個(gè)“頻率適合”的入射光子經(jīng)過(guò)高能態(tài)的分子/原子時(shí)激發(fā)了這種“跳躍”，使得“跳躍”的過(guò)程中釋放了一個(gè)和入射光子完全相同的光子，那么這種“跳躍”釋放光子的過(guò)程就稱為受激輻射。受激輻射的過(guò)程中，入射光子從高能態(tài)分子中獲得了能量，變成了兩個(gè)一模一樣的光子。如果能建造一類裝置，讓光不斷通過(guò)高能態(tài)的分子來(lái)發(fā)生受激輻射，那么光子就會(huì)被迅速的“復(fù)制”從而實(shí)現(xiàn)光放大，這種由受激輻射放大的光就稱為激光，產(chǎn)生激光的裝置就叫激光器。

正是由于受激輻射過(guò)程產(chǎn)生的相同光子的特點(diǎn)，使得激光器有許多普通光所沒(méi)有的優(yōu)良特性。主要包括：

1）方向性好：發(fā)散角很小，可以長(zhǎng)距離傳輸而不發(fā)散。

2）相干性高和單色性好：激光的顏色（頻率）非常純，能實(shí)現(xiàn)在長(zhǎng)距離和長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)相干（發(fā)生干涉）。

3）亮度高和能量密度大：激光的輸出能量可以集中在非常小的空間尺度和時(shí)間尺度內(nèi)發(fā)射，所以亮度和能量密度都極大，這一點(diǎn)也是強(qiáng)激光的特點(diǎn)。

說(shuō)來(lái)簡(jiǎn)單但行之不易，從1917年愛(ài)因斯坦提出受激輻射的概念到1960年梅曼（Maiman, 1927-2007,美國(guó)著名物理學(xué)家/工程師）建造出第一臺(tái)激光，前人們經(jīng)歷了漫長(zhǎng)且艱辛的科學(xué)探索過(guò)程。感興趣激光發(fā)明史的同學(xué)可以看物理所常國(guó)慶老師的一篇科普文[2]以及朱安遠(yuǎn)在緬懷湯斯先生逝世一周年之際所著的文章[3]。另外，由于篇幅所限，以上對(duì)激光產(chǎn)生原理的介紹也只能點(diǎn)到為止，感興趣激光產(chǎn)生原理的同學(xué)可以查閱任意一本激光相關(guān)教材。

激光發(fā)明后，激光技術(shù)遍地開(kāi)花，激光的應(yīng)用也如雨后春筍般涌現(xiàn)。同時(shí)，具有高亮度、高功率特點(diǎn)的強(qiáng)激光因其誘人的應(yīng)用場(chǎng)景被重點(diǎn)研究。我國(guó)的領(lǐng)導(dǎo)人和科學(xué)家在這個(gè)方面是富有遠(yuǎn)見(jiàn)的，一開(kāi)始就對(duì)強(qiáng)激光科技事業(yè)高度重視，在1965年組織立項(xiàng)了一批重大項(xiàng)目。正是早期的重視和投入，為我國(guó)現(xiàn)在能在強(qiáng)激光技術(shù)領(lǐng)域處于全球領(lǐng)先水平打下了一個(gè)非常好的基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)近六十年的發(fā)展，強(qiáng)激光科技事業(yè)正如日中天，各項(xiàng)物理參數(shù)不斷被刷新，各種瓶頸問(wèn)題不斷被突破，各類激動(dòng)人心的應(yīng)用距離成功正越來(lái)越近。

根據(jù)科研目標(biāo)和應(yīng)用需求上的差別，強(qiáng)激光可以大體分為三大研究類別，分別為超高平均功率強(qiáng)激光、大能量短脈沖強(qiáng)激光、超短脈沖超高峰值功率強(qiáng)激光。下面將從這三個(gè)方面向大家介紹。

在此之前，需要先了解一些激光輸出的參數(shù)。根據(jù)能量輸出的持續(xù)時(shí)間，可將激光分為連續(xù)光、準(zhǔn)連續(xù)光、短脈沖光、超短脈沖光。所謂“脈沖”就是指在時(shí)間上不連續(xù)的輸出，用脈沖寬度（簡(jiǎn)稱脈寬）描述脈沖持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短，用脈沖能量描述單個(gè)脈沖包絡(luò)的能量，用重復(fù)頻率（簡(jiǎn)稱重頻）描述一秒鐘內(nèi)輸出的脈沖數(shù)量，用平均功率（Average power）描述一秒鐘內(nèi)輸出的總能量，用峰值功率（Peak power）描述單個(gè)脈沖所能達(dá)到的最高功率（數(shù)值上等于脈沖能量比上脈寬）。

描述強(qiáng)激光功率的常見(jiàn)單位有千瓦（KW）、兆瓦（MW）、吉瓦(GW, 1 GW = 10⁹ W)、太瓦（TW, 1 TW = 10¹² W）、拍瓦（PW, 1 PW = 10¹⁵ W）。描述強(qiáng)激光脈寬常見(jiàn)單位有毫秒（ms）、微秒（μs）、納秒（ns, 1 ns = 10^-9 s）、皮秒（ps, 1 ps = 10^-12 s）、飛秒（fs, 1 fs = 10^-15 s）。

3.1 超高平均功率強(qiáng)激光    

這一類強(qiáng)激光以輸出超高的平均功率（從數(shù)十千瓦到幾兆瓦）為主要特點(diǎn)，以更高的平均功率、更好的光束質(zhì)量、更高的能量轉(zhuǎn)化效率為研發(fā)導(dǎo)向，輸出類型主要是連續(xù)和準(zhǔn)連續(xù)（脈寬在微秒量級(jí)，重頻在Hz量級(jí)到10 KHz量級(jí)）輸出，通常所說(shuō)的“高能激光”、“大功率激光”多指此類激光器。由于此類強(qiáng)激光在工業(yè)、軍事和空間科學(xué)方面巨大的潛在價(jià)值，一直以來(lái)都是各國(guó)的研究焦點(diǎn)之一。

目前，以化學(xué)儲(chǔ)能介質(zhì)、氣體、光纖、固態(tài)晶體為增益介質(zhì)的激光器都能實(shí)現(xiàn)高平均功率的激光輸出[4]。其中，最早得到發(fā)展的是氣體激光器，早在20世紀(jì)70年代，美國(guó)人建造的CO₂激光器輸出功率就達(dá)到了400 千瓦（KW），但是這類激光器體積龐大，應(yīng)用不便。

不過(guò)，數(shù)十千瓦高平均功率的短脈沖（ns量級(jí)）激光器正被用作產(chǎn)生極紫外光（EUV）的強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)源，是我國(guó)EUV光刻機(jī)的卡脖子技術(shù)之一[5]。目前為止，能實(shí)現(xiàn)最高平均功率輸出的是化學(xué)激光器，氧碘激光器和氟化氘化學(xué)激光器均已實(shí)現(xiàn)兆瓦量（MW）級(jí)的強(qiáng)激光輸出，但是這類激光器的應(yīng)用仍受燃料的循環(huán)使用、穩(wěn)定性和小型化等方面的問(wèn)題制約。

進(jìn)入本世紀(jì)以來(lái)，由于近紅外短波區(qū)半導(dǎo)體激光器（LD）的發(fā)展成熟，利用LD泵浦的固體激光器和光纖激光器都獲得了巨大的成功，這兩類激光器都有體積小、應(yīng)用方便等顯著優(yōu)點(diǎn)。目前，美國(guó)的IPG公司已經(jīng)報(bào)道了500 千瓦的全光纖激光輸出[6]，國(guó)內(nèi)的南華大學(xué)等單位也成功研制100 千瓦量級(jí)的光纖激光器，但是這些高功率光纖激光器均采用多束功率合成輸出，光束質(zhì)量都不是很好，僅適合應(yīng)用于工業(yè)加工領(lǐng)域。相較光纖激光器而言，LD泵浦的固體激光器擁有更好的光束質(zhì)量，激光輸出能力在10~100 千瓦量級(jí)。

隨著此類強(qiáng)激光的發(fā)展成熟，將有望在工業(yè)智能制造、空間供能，太空垃圾清理，鈉導(dǎo)引星，激光武器等方面發(fā)揮重大作用。這些應(yīng)用聽(tīng)起來(lái)是不是都非常具有科幻色彩？這里給大家簡(jiǎn)單介紹幾個(gè)例子：

3.1.1 空間激光“清掃”太空垃圾

大家有沒(méi)有想過(guò)我們發(fā)上天的衛(wèi)星最后都去了哪里？答案很簡(jiǎn)單，一部分落入大氣層燒毀，一部分則變成了“太空垃圾”。隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，只會(huì)有越來(lái)越多的人造物體升空，但是它們都不會(huì)永遠(yuǎn)運(yùn)行下去，它們可能會(huì)停留在太空中，從而產(chǎn)生了大量的“廢棄物”——太空碎片垃圾。

根據(jù)空間專家的估計(jì)，地球附近的太空中有大大小小的空間碎片上億片。由于太空垃圾在軌道上以每秒7km以上的速度運(yùn)行，動(dòng)能巨大，若運(yùn)行中的航天器與它們相撞可能會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞，甚至威脅到宇航員的生命安全。

目前，高能量的脈沖激光是解決這類碎片的最佳手段，因此受到高度重視。當(dāng)這類強(qiáng)激光照射到碎片時(shí)，將使太空碎片熔化為無(wú)害的等離子體，在減少太空垃圾數(shù)量的同時(shí)，又不會(huì)在原處增加更微小的太空垃圾流云[7]。但是目前仍然面臨兩個(gè)問(wèn)題：如果將激光器裝在地面上，則必須通過(guò)大氣傳輸，能量和光束質(zhì)量嚴(yán)重下降；若裝配到太空中，則激光器的能量供給無(wú)法得到有效保障。

圖3 人造衛(wèi)星及太空碎片分布圖

3.1.2 給天文望遠(yuǎn)鏡做“白內(nèi)障消除手術(shù)”

由于天體發(fā)出的光波經(jīng)過(guò)濃密大氣層時(shí)，會(huì)受到永不停息的大氣湍流擾動(dòng)影響，使光的波前發(fā)生了畸變，使得地面望遠(yuǎn)鏡接收來(lái)自宇宙的光時(shí)難以獲得高分辨的圖像。因此濃密的大氣擾動(dòng)對(duì)于天文望遠(yuǎn)鏡而言猶如病人眼球里的白內(nèi)障，都會(huì)讓圖像變得模糊。

那么，怎樣去消除這種模糊呢？科學(xué)家想到了一種方法——人造一顆參考“星星”來(lái)測(cè)算大氣擾動(dòng)。利用這顆“星星”作為參考，可以獲得大氣對(duì)光波前擾動(dòng)的數(shù)據(jù)，再結(jié)合一些算法就可以從圖4(a)得到圖4(b)所示的高分辨的圖像了。

問(wèn)題又來(lái)了，如何造“星星”呢？采用589nm的高功率激光激發(fā)距離地面90 km高處大氣電離層中的鈉原子可產(chǎn)生高亮度的“星星”。我們通常把這種“星星”叫做“鈉導(dǎo)星”，激發(fā)鈉導(dǎo)星的激光器稱為“鈉信標(biāo)激光”[8]。高功率鈉信標(biāo)激光的獲得是比較困難的，它需要用上文提到的強(qiáng)激光作為驅(qū)動(dòng)源。目前，國(guó)內(nèi)外都在開(kāi)展相關(guān)研究，圖4中(c)、(d)為試驗(yàn)圖片。

圖4(a)&(b)自適應(yīng)光學(xué)-校正大氣干擾前后Keck望遠(yuǎn)鏡對(duì)銀河系中心成像

圖4(c)&(d)歐洲南方天文臺(tái)&中科院理化所鈉導(dǎo)星激光器

3.1.3 給航空/航天器“投喂”

有沒(méi)有想過(guò)一架無(wú)人機(jī)從起飛后就不再降落，一個(gè)衛(wèi)星在黑夜里也能充電？這些想法在未來(lái)都可能成為現(xiàn)實(shí)，需要的是一臺(tái)高平均功率的強(qiáng)激光，一個(gè)轉(zhuǎn)化效率高的光伏接收器以及一個(gè)定位控制系統(tǒng)。有了這三樣?xùn)|西，我們就可以給大氣層中的航空器或者太空中的航天器提供能量了[9]。

當(dāng)然，如果遇到霧霾或者陰雨天氣這種由地面到太空的能量傳輸就會(huì)失效，因?yàn)殪F霾真的可以防激光，這時(shí)只能期待有一塊超強(qiáng)的儲(chǔ)能電池了。雖然從地面到空間的能量傳輸容易因天氣而受阻，但是將這項(xiàng)技術(shù)用在太空中卻是極好的。

目前，許多國(guó)家都在研究通過(guò)激光將能量從太陽(yáng)光源照射下的衛(wèi)星傳輸?shù)降偷厍蜍壍郎系妮^小衛(wèi)星[10]，這項(xiàng)技術(shù)被稱為“激光驅(qū)動(dòng)無(wú)線能量聚束”。

圖5 空間衛(wèi)星供能示意圖

3.1.4 用作激光武器

由于激光以光速（宇宙無(wú)敵）傳輸能量，且能量集中，所以激光用作武器可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)且迅速的打擊效果，受到各國(guó)的青睞，被譽(yù)為“未來(lái)武器”。但由于目前高平均功率強(qiáng)激光的功率和光束質(zhì)量還難以滿足此類應(yīng)用的要求，以及激光傳輸過(guò)程中容易受到大氣干擾，激光武器距離真正實(shí)用的時(shí)間還不可預(yù)知。

圖6 激光武器戰(zhàn)場(chǎng)概念圖

3.2 大能量短脈沖強(qiáng)激光    

大能量短脈沖強(qiáng)激光主要以輸出脈寬短和脈沖能量巨大為特點(diǎn)，脈沖能量從百焦耳量級(jí)到兆焦耳（MJ）量級(jí)，脈寬一般為納秒（ns）量級(jí)，峰值功率從吉瓦量級(jí)（GW）到太瓦（TW）量級(jí)，通常所見(jiàn)的“高功率激光”多指此類強(qiáng)激光。由于釹玻璃可以造的很大，因此長(zhǎng)期以來(lái)這類強(qiáng)激光都以釹玻璃為增益介質(zhì)，但是釹玻璃存在熱導(dǎo)率低、散熱差的缺點(diǎn)。正因?yàn)檫@些缺點(diǎn)，這類強(qiáng)激光通常是單發(fā)的，即發(fā)射后需要經(jīng)過(guò)相當(dāng)一段時(shí)間才能繼續(xù)進(jìn)行下一次發(fā)射，這嚴(yán)重限制了相關(guān)應(yīng)用。

隨著冷卻散熱技術(shù)的進(jìn)步以及性能更優(yōu)異的Yb:YAG晶體生長(zhǎng)技術(shù)的成熟，新一代以Yb:YAG為增益介質(zhì)的大能量短脈沖激光正在成為研究熱點(diǎn)。未來(lái)，這類強(qiáng)激光將向短時(shí)間內(nèi)能實(shí)現(xiàn)重復(fù)發(fā)射的方向發(fā)展，既保證短脈沖大能量，又能實(shí)現(xiàn)高平均功率輸出。就目前的報(bào)道來(lái)看，英國(guó)盧瑟福實(shí)驗(yàn)室建造的DiPOLE強(qiáng)激光系統(tǒng)具有地表最強(qiáng)的指標(biāo)，該系統(tǒng)基于低溫氣體冷卻的多板條Yb:YAG，實(shí)現(xiàn)了輸出脈沖能量100 J級(jí)／脈寬10 ns／重復(fù)頻率10 Hz的總體能力[11]。

這類強(qiáng)激光主要用途包括三個(gè)方面[12]：

1）作為慣性約束核聚變的激光驅(qū)動(dòng)源。

2）利用強(qiáng)激光創(chuàng)造出類似于天體環(huán)境的高能量密度（HED）物質(zhì)狀態(tài)，從而探索、揭示極端條件下物質(zhì)的新結(jié)構(gòu)和新特性。

3）作為下一節(jié)將介紹的超強(qiáng)超短激光的強(qiáng)大泵浦源。

圖7 激光點(diǎn)火核聚變?cè)韴D

其中，最受重視也是最激動(dòng)人心的應(yīng)用當(dāng)屬?gòu)?qiáng)激光驅(qū)動(dòng)的慣性約束核聚變?；驹砣鐖D7所示：利用大能量短脈沖的強(qiáng)激光精準(zhǔn)地將直徑毫米級(jí)的聚變?nèi)剂闲∏蛑苯踊蜷g接地壓縮并加熱到上億度的高溫，讓聚變?nèi)剂希碗埃┠軌蜃园l(fā)進(jìn)行熱核聚變反應(yīng)。如果這種可控的核聚變能夠成功，將徹底解決困擾人類的能源問(wèn)題，是最具革命性的科技進(jìn)步（沒(méi)有之一）。

圖8 建設(shè)中的美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF）

現(xiàn)在很多國(guó)家都建設(shè)有這類裝置，其中最典型的代表是美國(guó)利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）在2009年建成的國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF），如圖8所示。NIF實(shí)現(xiàn)了192束強(qiáng)激光組束，總輸出能量1.8 兆焦耳，峰值功率達(dá)520太瓦（TW），脈寬5~10 納秒。我國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域也處在領(lǐng)先水平，2015年建成的神光-Ⅲ聚變裝置共有48束激光組束，總輸出能量為18萬(wàn)焦耳，峰值功率高達(dá)60 太瓦，是世界上投入運(yùn)行的第二大激光驅(qū)動(dòng)器。

3.3 超短脈沖超高峰值功率強(qiáng)激光    

這一類強(qiáng)激光器以超高的峰值功率為特點(diǎn)，主要以創(chuàng)造前所未有的極端強(qiáng)場(chǎng)為導(dǎo)向，脈寬在飛秒（fs）量級(jí)，單脈沖能量在百毫焦耳（100 mJ）量級(jí)到千焦耳（KJ）量級(jí)，通常又稱為“超短超強(qiáng)激光（Ultra-short and Ultra-intense Lasers）”。

目前全世界都在爭(zhēng)相建造更高峰值功率的強(qiáng)激光，人類現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的水平為峰值功率10 拍瓦（PW，一拍瓦等于一千萬(wàn)億瓦）量級(jí)。我國(guó)在這個(gè)方面處于世界領(lǐng)先，上海光機(jī)所在2019年實(shí)現(xiàn)了12.9 PW激光輸出，創(chuàng)造了世界最高功率記錄，正在籌建100 PW級(jí)超強(qiáng)激光?？赡艽蠹也荒荏w會(huì)到這些數(shù)據(jù)到底意味著什么，這里給出三個(gè)形象的解釋：

1）超高功率：10 PW 相當(dāng)于在小于10^-13秒（十萬(wàn)億分之一秒）的瞬間有超過(guò)世界電網(wǎng)平均功率100倍的瞬時(shí)功率。

2）超強(qiáng)場(chǎng)：如果將100 PW的脈沖激光聚焦到一個(gè)直徑幾個(gè)微米的斑點(diǎn)上，那么這個(gè)微小區(qū)域的強(qiáng)度將達(dá)到驚人的10²⁴ W/cm2（瓦/平方厘米）——比太陽(yáng)光直射地球的強(qiáng)度高出約25個(gè)數(shù)量級(jí)。

3）超高壓：如果將10 PW脈沖激光聚焦后打到物質(zhì)上可以產(chǎn)生等離子體，這種等離子體內(nèi)部的壓強(qiáng)將大于10⁹個(gè)大氣壓 （1Gbar），相當(dāng)于在一個(gè)大拇指上放上10艘全負(fù)荷的尼米茲級(jí)航空母艦的壓強(qiáng)。

以上三個(gè)解釋源自物理所李玉同和上海光機(jī)所李儒新兩位老師的報(bào)告。

那么，為什么要研究超短超強(qiáng)激光？主要原因可歸納為以下兩個(gè)方面：

///一是超短超強(qiáng)激光是研究物質(zhì)世界的“神奇探針”，在其所創(chuàng)造的超強(qiáng)場(chǎng)、超高壓、超高溫條件下，蘊(yùn)含著許多尚未知曉的新物理，是未來(lái)非常有望出現(xiàn)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的領(lǐng)域之一。

///二是超短超強(qiáng)激光可以用來(lái)加速電子和質(zhì)子等帶電粒子，通過(guò)超強(qiáng)激光加速獲得的高能電子和高能質(zhì)子在科學(xué)探索和醫(yī)療方面發(fā)揮著重要作用[13]。

其中，近20年來(lái)得到快速發(fā)展的超強(qiáng)激光驅(qū)動(dòng)等離子體加速器因其超高加速梯度(1~100 GV/m)，將有望被應(yīng)用于未來(lái)的超高能（>1 TeV）直線電子對(duì)撞機(jī)中，這對(duì)高能粒子物理的研究至關(guān)重要[14]。下面就這兩個(gè)方面簡(jiǎn)單給大家介紹兩個(gè)相關(guān)例子：

3.3.1 研究真空結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生真實(shí)粒子

大家可能會(huì)問(wèn)為啥要研究真空結(jié)構(gòu)？真空不是什么也沒(méi)有嗎？其實(shí)，根據(jù)量子電動(dòng)力學(xué)，真空并非一無(wú)所有，真空中有統(tǒng)計(jì)上有限的正能量，叫做空間的零點(diǎn)能，也就是說(shuō)真空中至少是有能量的。

那么假設(shè)你還聽(tīng)說(shuō)過(guò)愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程E = mc2，你就會(huì)知道質(zhì)量和能量是可以相互轉(zhuǎn)化的。因此，有能量的真空中可以產(chǎn)生真實(shí)的粒子（如電子），但是需要一個(gè)超級(jí)強(qiáng)的電場(chǎng)（大約是10²⁹ W/cm2）來(lái)激發(fā)，這個(gè)閾值電場(chǎng)被稱為Schwinger極限。因?yàn)椤皯{空”從真空中產(chǎn)生實(shí)物粒子，因此很多時(shí)候把這個(gè)過(guò)程叫做“真空擊穿”或者“真空撕裂”。

可是要產(chǎn)生如此強(qiáng)的電場(chǎng)仍然力有未逮，不過(guò)最近有研究表明，由于不存在理想的真空，因此從非理想真空激發(fā)產(chǎn)生實(shí)物粒子所需的激光強(qiáng)度將遠(yuǎn)小于Schwinger極限[15]。

為了便于理解，以上的描述并不嚴(yán)謹(jǐn)。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼f(shuō)法是：真空中存在量子漲落（可以視作真空本身存在虛粒子和反虛粒子的不斷出現(xiàn)和消失，如圖9所示），在具有足夠能量的激發(fā)下，我們能利用這些空的空間的電磁屬性來(lái)產(chǎn)生真實(shí)的粒子-反粒子對(duì)[16]。

圖9 真空中的虛粒子對(duì)的出現(xiàn)和消失

3.3.2 “激光質(zhì)子刀”精準(zhǔn)殺死癌細(xì)胞

大家知道，由于對(duì)癌癥缺乏特效藥和有效的治療手段，癌癥幾乎成了的絕癥。目前最普遍的療法是“放療”，所謂“放療”就是用高能量的X射線（一種波長(zhǎng)極短的光）穿透身體殺死癌細(xì)胞。但是X射線在穿透身體時(shí)，不僅殺死了病灶處的癌細(xì)胞也殺死了表層的健康細(xì)胞，對(duì)人體危害特別大。

今天介紹的“質(zhì)子刀”和“放療”相比，能高效的殺死癌細(xì)胞但對(duì)健康細(xì)胞傷害很小，因此被形容為“治癌神器”或“腫瘤殺手”?！百|(zhì)子刀”實(shí)質(zhì)上就是利用高能量的質(zhì)子（一種實(shí)物粒子）來(lái)替代“放療”中的X射線殺死癌細(xì)胞。由于高能質(zhì)子在物質(zhì)（如人體內(nèi)）中傳輸時(shí)損失的能量很小，且經(jīng)過(guò)一段傳輸距離（如身體表層皮膚）后，質(zhì)子束的大部分能量會(huì)沉積在末端（腫瘤所在之處），因此能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)殺死癌細(xì)胞。但是要獲得這種高能量質(zhì)子非常困難，通常需要建一個(gè)大型的加速器，這使得質(zhì)子刀癌癥治療沒(méi)有獲得推廣。

然而利用超短超強(qiáng)脈沖在等離子體中激發(fā)的超強(qiáng)靜電場(chǎng)卻可以在非常小的空間內(nèi)獲得高能質(zhì)子[17]，這一技術(shù)使制造小型化的質(zhì)子刀裝置——“激光質(zhì)子刀”成為可能，技術(shù)概念圖如圖10所示。

目前，相關(guān)的裝置研究和應(yīng)用示范正在不斷落地，相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)我們就可以用激光質(zhì)子刀治療癌癥。

圖10 強(qiáng)激光加速的高能質(zhì)子用于治療癌癥

雖然在討論強(qiáng)激光應(yīng)用時(shí)功率是最常提及的指標(biāo)，但實(shí)際上決定能否成功應(yīng)用的根本是亮度。目前限制高平均功率強(qiáng)激光發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題就是隨著功率的提升，光源亮度并沒(méi)有同步提高，究其原因是功率提升時(shí)光束質(zhì)量非線性下降。

同樣問(wèn)題在高峰值功率的激光器中也存在，特別是應(yīng)用于慣性約束核聚變的強(qiáng)激光更需要非常好的光束質(zhì)量。因此，輸出功率和光束質(zhì)量是研制強(qiáng)激光裝置時(shí)必須追求的兩個(gè)核心性能。那是什么導(dǎo)致了輸出功率提升時(shí)，光束質(zhì)量下降了呢？答案是“廢熱”。所有的激光器的能量轉(zhuǎn)化效率都不可能達(dá)到100 %，這就使得在發(fā)射激光的過(guò)程中，增益介質(zhì)積累了非常多的熱量，這些熱量使得增益介質(zhì)溫度分布不均勻，從而產(chǎn)生了熱變形、熱致折射率變化，最終使光束質(zhì)量下降。

同時(shí)，為了散熱，高峰值功率的強(qiáng)激光無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)重復(fù)發(fā)射，極大的限制了應(yīng)用。這些由廢熱的存在所導(dǎo)致的問(wèn)題我們稱之為“熱負(fù)載受限”，筆者幻想如果有一種如圖11所示的“寒冰掌”高熱流密度散熱工具，那么這種熱負(fù)載受限問(wèn)題將獲得非常大的解決！

圖11 理想-寒冰掌冷卻強(qiáng)激光

當(dāng)然，散熱只是共性問(wèn)題，對(duì)于大能量短脈寬的高功率激光器來(lái)說(shuō)還存在功率負(fù)載受限的問(wèn)題，對(duì)于超短超強(qiáng)脈沖激光來(lái)說(shuō)還存在通量負(fù)載受限和脈沖對(duì)比度提升困難的問(wèn)題[18]。

從1917年愛(ài)因斯坦提出受激輻射的概念以來(lái)，已經(jīng)一百多年過(guò)去了，激光的發(fā)明和發(fā)展都留下激動(dòng)人心的故事，但一個(gè)個(gè)驚人的故事仍將續(xù)寫(xiě)。筆者認(rèn)為此時(shí)的強(qiáng)激光仍處其少年時(shí)期，未來(lái)將在其應(yīng)用領(lǐng)域大放異彩。

由于筆者初生牛犢，水平實(shí)在有限，文中定有不妥之處，希望各位指正。

[1] 中國(guó)人民解放軍總裝備部．高峰值功率、高能量激光參數(shù)術(shù)語(yǔ)：GJB8546—2015[S]. 北京：中國(guó)航空綜合技術(shù)研究所，2015

[2] https://mp.weixin.qq.com/s/3boPorWbZVu3EYz0mEVehw

[3] 朱安遠(yuǎn). 激光之父:1964年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主湯斯博士——深切緬懷湯斯教授逝世1周年(一). 中國(guó)市場(chǎng). 2016(01):190-7.

[4] 羅樂(lè), 麻曉敏, 李建設(shè), 黃英, 鄧善熙. 飛秒激光和大功率激光的發(fā)展與應(yīng)用. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2005(12):1610-3.

[5] 宗楠, 胡蔚敏, 王志敏, 王小軍, 張申金, 薄勇, et al. 激光等離子體13.5 nm極紫外光刻光源進(jìn)展. 中國(guó)光學(xué). 2020;13(01):28-42.

[6] Zuo J, Lin X. High‐Power Laser Systems. Laser & Photonics Reviews. 2022:2100741.

[7] Apollonov VV. High power/energy lasers in our life. 2016.

[8] 謝仕永, 黃康勝, 孫勇, 王久旺, 王彩麗, 薄鐵柱, et al. 用于自適應(yīng)光學(xué)的鈉導(dǎo)星激光器研究進(jìn)展. 科技導(dǎo)報(bào). 2018;36(05):60-9.

[9] Nakai S, editor Progress of Power Laser and Its Application to Space. AIP Conference Proceedings; 2004: American Institute of Physics.

[10] https://mp.weixin.qq.com/s/bIzBx1FxKVcpuz7BxD9O2Q

[11] Sui Y, Yuan M, Bai Z, Fan Z. Recent Development of High-Energy Short-Pulse Lasers with Cryogenically Cooled Yb: YAG. Applied Sciences. 2022;12(8):3711.

[12] 付星, 劉廷昊, 雷新星, 鞏馬理, 柳強(qiáng). 二極管泵浦重復(fù)頻率納秒高能固體激光器研究進(jìn)展. 中國(guó)激光. 2021;48(15):1501003.

[13] Ji L. Ion acceleration and extreme light field generation based on ultra-short and ultra–intense lasers: Springer Science & Business Media; 2014.

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[16] https://www.electrooptics.com/news/lasers-beam-power-between-satellites

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