今天這篇解讀的重點(diǎn)將放在后者身上。“產(chǎn)生超強(qiáng)超短光學(xué)脈沖的方法”即獲得超強(qiáng)超短激光脈沖的啾脈沖放大技術(shù)(Chirped Pulse Amplification, CPA)。該技術(shù)“為人類創(chuàng)造最短最強(qiáng)的激光脈沖鋪平了道路。他們開發(fā)的技術(shù)開辟了新的研究領(lǐng)域,并帶來(lái)了廣泛的工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用。”
什么是超短激光?
超短激光一般是指脈沖寬度在飛秒量級(jí)(千萬(wàn)億分之一秒)的激光脈沖,因此也叫飛秒激光。當(dāng)你讀完這句話所花的時(shí)間,比上宇宙的年齡,大概就相當(dāng)于一飛秒。即使快如光速,每秒30萬(wàn)公里,哪怕給他1000飛秒的時(shí)間,也只跑3毫米。
如何獲得超強(qiáng)超短激光?
提高激光的強(qiáng)度是激光工作者孜孜不倦的追求。激光的能量越高,脈沖寬度越短,則峰值功率越高。因此提高脈沖能量和壓縮脈沖寬度是人們獲得超強(qiáng)超短激光的兩條路徑。
提高脈沖能量的秘訣在于增加激光器各個(gè)元器件的尺寸,壓縮脈沖寬度的秘訣是不斷開發(fā)新型脈沖調(diào)制技術(shù)如調(diào)Q,鎖模。在激光發(fā)明的前十年,激光的峰值功率隨著年份指數(shù)增長(zhǎng),有著類似半導(dǎo)體領(lǐng)域的“摩爾定律”,并且在1970年初期增長(zhǎng)到了1億千瓦峰值功率的量級(jí)。
然而至此,激光器件尤其是用于放大的晶體尺寸和激光脈沖調(diào)制技術(shù)都遇到了瓶頸。晶體可以承受的激光功率是有限的,當(dāng)晶體尺寸無(wú)法增加的時(shí)候,激光的峰值功率也就無(wú)法再提升,激光屆的“摩爾定律”失效。上世紀(jì)60年代末期至80年代前期堪稱超強(qiáng)超短激光技術(shù)黑暗的中世紀(jì)。
正當(dāng)大多數(shù)人受困于激光器件尺寸有限而無(wú)法提升峰值功率的時(shí)候,Gérard Mourou和Donna Strickland創(chuàng)造性的引入了已經(jīng)在雷達(dá)領(lǐng)域使用的啁啾脈沖技術(shù),即首先將低能量的超短激光脈沖在時(shí)間上進(jìn)行展寬,降低激光脈沖的峰值功率,然后經(jīng)過(guò)晶體進(jìn)行放大,最后再將脈沖持續(xù)時(shí)間壓縮至原來(lái)寬度,這樣就獲得了超強(qiáng)超短激光脈沖。
抽象的講,啁啾脈沖放大就是時(shí)間換空間。啁啾脈沖放大給了激光新的生命。而發(fā)明這項(xiàng)技術(shù)的Gérard Mourou和Donna Strickland,榮膺諾獎(jiǎng)實(shí)至名歸。值得一提的是,他們這項(xiàng)影響深遠(yuǎn)的技術(shù)發(fā)明,當(dāng)時(shí)發(fā)表在了影響因子只有1.5的低檔雜志上面,這說(shuō)明雜志影響因子的高低并不能完全評(píng)判一項(xiàng)技術(shù)的意義!另外,他們兩位是師生,Strickland是第三位獲得諾獎(jiǎng)的女性。
超強(qiáng)超短激光應(yīng)用
激光是一個(gè)工具,超強(qiáng)超短激光是一個(gè)超級(jí)厲害的工具,它已經(jīng)影響了我們生活的方方面面。
飛秒激光治療近視已經(jīng)給很多近視患者,尤其是女性患者帶來(lái)了福音。摘掉眼鏡后,沒有了近視鏡片的縮小效果,眼睛在視覺上也回到了原本的大小。
超強(qiáng)超短激光有極高的峰值功率,能夠直接作用于原子和分子;同時(shí)又由于脈沖持續(xù)時(shí)間極短,能夠在材料產(chǎn)生熱量前就完成加工。我改變了你,你卻來(lái)不及反應(yīng)!飛秒加工的超高精度和極低熱效應(yīng),讓我們能夠加工一些非常敏感的材料,即使在火柴頭上雕刻都“火不起來(lái)”。
超強(qiáng)超短激光可以加速質(zhì)子,形成“質(zhì)子刀”,“質(zhì)子刀”可以精準(zhǔn)切除癌癥細(xì)胞,不對(duì)人體正常細(xì)胞造成破壞,“質(zhì)子刀”手術(shù)有望給癌癥患者帶來(lái)福音。
另外,超強(qiáng)超短激光可以加速電子,高速電子經(jīng)波蕩器后產(chǎn)生X射線,可以用來(lái)探測(cè)人體蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu),解決人類的健康問題。超強(qiáng)超短激光可以撕裂真空,真空并非一無(wú)所有,在超高峰值功率激光作用下,真空也演化出結(jié)構(gòu),表現(xiàn)出物質(zhì)屬性。激光足夠強(qiáng),真空也顫抖,問你怕不怕。
超強(qiáng)超短激光在我國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀
在超高峰值功率激光技術(shù)領(lǐng)域,我國(guó)處于領(lǐng)先地位。代表研究機(jī)構(gòu)有中科院上海光機(jī)所,中科院物理所,中國(guó)工程物理研究院和上海交通大學(xué)。
早在上個(gè)世紀(jì)90年代,也就是諾獎(jiǎng)得主提出全新技術(shù)后的沒幾年,我國(guó)的激光技術(shù)工作者就已開展這方面的研究。2007年,上海光機(jī)所獲得了0.89PW(1百萬(wàn)億瓦)的激光輸出,為世界最高紀(jì)錄,我國(guó)在這方面的研究首次由追趕變?yōu)轭I(lǐng)先。而且不止于此,在隨后的幾年中,我國(guó)的科研工作中不斷將峰值功率提升為2PW, 5 PW, 10PW,不斷刷新世界紀(jì)錄。更令人興奮的是,最近上海光機(jī)所宣布開發(fā)100 PW的超高峰值功率激光系統(tǒng),這吸引了無(wú)數(shù)科研工作者的目光。上海已經(jīng)成為該領(lǐng)域的學(xué)術(shù)高地,包括今年諾獎(jiǎng)得主Gérard Mourou在內(nèi)的多位世界頂級(jí)專家都前來(lái)交流合作。
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