一見“強激光”，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。“強激光”一詞在我們的生活中出現(xiàn)的頻率越來越高，甚至一些小伙伴覺得科幻大片中的高科技武器快要實現(xiàn)不為奇怪。

但事實上，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、激光無創(chuàng)手術(shù)等。在未來，激光還將有望在核聚變、激光引雷、量子計算、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接下來介紹的強激光。

圖1 戴拿-光線必殺技

強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、超短超強激光、超高峰值功率激光等來描述各自研究的強激光類型。

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

接下來就通過簡單的科普帶大家一探究竟。

聊強激光之前，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，即“通過受激輻射產(chǎn)生的光放大”。1964年錢學(xué)森（1911-2009，世界著名科學(xué)家，兩彈一星元勛）建議將“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，我國臺灣、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)獎得主）先生的話：“激光就是光的放大。當(dāng)光穿過物質(zhì)時，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)生源于光通過物質(zhì)時被不斷地放大。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)作用的某種過程，要真正理解這個過程，我們需要借助如圖2所示的能級圖。

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”過程中能量會以光子的形式釋放，我們將其稱為輻射。

如果這種“跳躍”是自發(fā)進行的（沒有入射光激發(fā)），我們就把這種“跳躍”釋放光子的過程稱為自發(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“頻率適合”的入射光子經(jīng)過高能態(tài)的分子/原子時激發(fā)了這種“跳躍”，使得“跳躍”的過程中釋放了一個和入射光子完全相同的光子，那么這種“跳躍”釋放光子的過程就稱為受激輻射。受激輻射的過程中，入射光子從高能態(tài)分子中獲得了能量，變成了兩個一模一樣的光子。如果能建造一類裝置，讓光不斷通過高能態(tài)的分子來發(fā)生受激輻射，那么光子就會被迅速的“復(fù)制”從而實現(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程產(chǎn)生的相同光子的特點，使得激光器有許多普通光所沒有的優(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，能實現(xiàn)在長距離和長時間內(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間尺度內(nèi)發(fā)射，所以亮度和能量密度都極大，這一點也是強激光的特點。

說來簡單但行之不易，從1917年愛因斯坦提出受激輻射的概念到1960年梅曼（Maiman, 1927-2007,美國著名物理學(xué)家/工程師）建造出第一臺激光，前人們經(jīng)歷了漫長且艱辛的科學(xué)探索過程。感興趣激光發(fā)明史的同學(xué)可以看物理所常國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，以上對激光產(chǎn)生原理的介紹也只能點到為止，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)遍地開花，激光的應(yīng)用也如雨后春筍般涌現(xiàn)。同時，具有高亮度、高功率特點的強激光因其誘人的應(yīng)用場景被重點研究。我國的領(lǐng)導(dǎo)人和科學(xué)家在這個方面是富有遠(yuǎn)見的，一開始就對強激光科技事業(yè)高度重視，在1965年組織立項了一批重大項目。正是早期的重視和投入，為我國現(xiàn)在能在強激光技術(shù)領(lǐng)域處于全球領(lǐng)先水平打下了一個非常好的基礎(chǔ)。經(jīng)過近六十年的發(fā)展，強激光科技事業(yè)正如日中天，各項物理參數(shù)不斷被刷新，各種瓶頸問題不斷被突破，各類激動人心的應(yīng)用距離成功正越來越近。

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

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”就是指在時間上不連續(xù)的輸出，用脈沖寬度（簡稱脈寬）描述脈沖持續(xù)時間長短，用脈沖能量描述單個脈沖包絡(luò)的能量，用重復(fù)頻率（簡稱重頻）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）描述單個脈沖所能達到的最高功率（數(shù)值上等于脈沖能量比上脈寬）。

描述強激光功率的常見單位有千瓦（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）。描述強激光脈寬常見單位有毫秒（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 超高平均功率強激光    

這一類強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，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，重頻在Hz量級到10 KHz量級）輸出，通常所說的“高能激光”、“大功率激光”多指此類激光器。由于此類強激光在工業(yè)、軍事和空間科學(xué)方面巨大的潛在價值，一直以來都是各國的研究焦點之一。

目前，以化學(xué)儲能介質(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，美國人建造的CO₂激光器輸出功率就達到了400 千瓦（KW），但是這類激光器體積龐大，應(yīng)用不便。

不過，數(shù)十千瓦高平均功率的短脈沖（ns量級）激光器正被用作產(chǎn)生極紫外光（EUV）的強大驅(qū)動源，是我國EUV光刻機的卡脖子技術(shù)之一[5]。目前為止，能實現(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)激光器均已實現(xiàn)兆瓦量（MW）級的強激光輸出，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題制約。

進入本世紀(jì)以來，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。目前，美國的IPG公司已經(jīng)報道了500 千瓦的全光纖激光輸出[6]，國內(nèi)的南華大學(xué)等單位也成功研制100 千瓦量級的光纖激光器，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。

隨著此類強激光的發(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)用聽起來是不是都非常具有科幻色彩？這里給大家簡單介紹幾個例子：

3.1.1 空間激光“清掃”太空垃圾

大家有沒有想過我們發(fā)上天的衛(wèi)星最后都去了哪里？答案很簡單，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，只會有越來越多的人造物體升空，但是它們都不會永遠(yuǎn)運行下去，它們可能會停留在太空中，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，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以上的速度運行，動能巨大，若運行中的航天器與它們相撞可能會嚴(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)這類強激光照射到碎片時，將使太空碎片熔化為無害的等離子體，在減少太空垃圾數(shù)量的同時，又不會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問題：如果將激光器裝在地面上，則必須通過大氣傳輸，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)過濃密大氣層時，會受到永不停息的大氣湍流擾動影響，使光的波前發(fā)生了畸變，使得地面望遠(yuǎn)鏡接收來自宇宙的光時難以獲得高分辨的圖像。因此濃密的大氣擾動對于天文望遠(yuǎn)鏡而言猶如病人眼球里的白內(nèi)障，都會讓圖像變得模糊。

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”來測算大氣擾動。利用這顆“星星”作為參考，可以獲得大氣對光波前擾動的數(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。

問題又來了，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激光作為驅(qū)動源。目前，國內(nèi)外都在開展相關(guān)研究，圖4中(c)、(d)為試驗圖片。

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

圖4(c)&(d)歐洲南方天文臺&中科院理化所鈉導(dǎo)星激光器

3.1.3 給航空/航天器“投喂”

有沒有想過一架無人機從起飛后就不再降落，一個衛(wèi)星在黑夜里也能充電？這些想法在未來都可能成為現(xiàn)實，需要的是一臺高平均功率的強激光，一個轉(zhuǎn)化效率高的光伏接收器以及一個定位控制系統(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失效，因為霧霾真的可以防激光，這時只能期待有一塊超強的儲能電池了。雖然從地面到空間的能量傳輸容易因天氣而受阻，但是將這項技術(shù)用在太空中卻是極好的。

目前，許多國家都在研究通過激光將能量從太陽光源照射下的衛(wèi)星傳輸?shù)降偷厍蜍壍郎系妮^小衛(wèi)星[10]，這項技術(shù)被稱為“激光驅(qū)動無線能量聚束”。

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

圖6 激光武器戰(zhàn)場概念圖

3.2 大能量短脈沖強激光    

大能量短脈沖強激光主要以輸出脈寬短和脈沖能量巨大為特點，脈沖能量從百焦耳量級到兆焦耳（MJ）量級，脈寬一般為納秒（ns）量級，峰值功率從吉瓦量級（GW）到太瓦（TW）量級，通常所見的“高功率激光”多指此類強激光。由于釹玻璃可以造的很大，因此長期以來這類強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。正因為這些缺點，這類強激光通常是單發(fā)的，即發(fā)射后需要經(jīng)過相當(dāng)一段時間才能繼續(xù)進行下一次發(fā)射，這嚴(yán)重限制了相關(guān)應(yīng)用。

隨著冷卻散熱技術(shù)的進步以及性能更優(yōu)異的Yb:YAG晶體生長技術(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。未來，這類強激光將向短時間內(nèi)能實現(xiàn)重復(fù)發(fā)射的方向發(fā)展，既保證短脈沖大能量，又能實現(xiàn)高平均功率輸出。就目前的報道來看，英國盧瑟福實驗室建造的DiPOLE強激光系統(tǒng)具有地表最強的指標(biāo)，該系統(tǒng)基于低溫氣體冷卻的多板條Yb:YAG，實現(xiàn)了輸出脈沖能量100 J級／脈寬10 ns／重復(fù)頻率10 Hz的總體能力[11]。

這類強激光主要用途包括三個方面[12]：

1）作為慣性約束核聚變的激光驅(qū)動源。

2）利用強激光創(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)將介紹的超強超短激光的強大泵浦源。

圖7 激光點火核聚變原理圖

其中，最受重視也是最激動人心的應(yīng)用當(dāng)屬強激光驅(qū)動的慣性約束核聚變。基本原理如圖7所示：利用大能量短脈沖的強激光精準(zhǔn)地將直徑毫米級的聚變?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題，是最具革命性的科技進步（沒有之一）。

圖8 建設(shè)中的美國國家點火裝置（NIF）

現(xiàn)在很多國家都建設(shè)有這類裝置，其中最典型的代表是美國利弗莫爾國家實驗室（LLNL）在2009年建成的國家點火裝置（NIF），如圖8所示。NIF實現(xiàn)了192束強激光組束，總輸出能量1.8 兆焦耳，峰值功率達520太瓦（TW），脈寬5~10 納秒。我國在這個領(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18萬焦耳，峰值功率高達60 太瓦，是世界上投入運行的第二大激光驅(qū)動器。

3.3 超短脈沖超高峰值功率強激光    

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

目前全世界都在爭相建造更高峰值功率的強激光，人類現(xiàn)在已經(jīng)實現(xiàn)的水平為峰值功率10 拍瓦（PW，一拍瓦等于一千萬億瓦）量級。我國在這個方面處于世界領(lǐng)先，上海光機所在2019年實現(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級超強激光?？赡艽蠹也荒荏w會到這些數(shù)據(jù)到底意味著什么，這里給出三個形象的解釋：

1）超高功率：10 PW 相當(dāng)于在小于10^-13秒（十萬億分之一秒）的瞬間有超過世界電網(wǎng)平均功率100倍的瞬時功率。

2）超強場：如果將100 PW的脈沖激光聚焦到一個直徑幾個微米的斑點上，那么這個微小區(qū)域的強度將達到驚人的10²⁴ W/cm2（瓦/平方厘米）——比太陽光直射地球的強度高出約25個數(shù)量級。

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)部的壓強將大于10⁹個大氣壓 （1Gbar），相當(dāng)于在一個大拇指上放上10艘全負(fù)荷的尼米茲級航空母艦的壓強。

以上三個解釋源自物理所李玉同和上海光機所李儒新兩位老師的報告。

那么，為什么要研究超短超強激光？主要原因可歸納為以下兩個方面：

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

///二是超短超強激光可以用來加速電子和質(zhì)子等帶電粒子，通過超強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年來得到快速發(fā)展的超強激光驅(qū)動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)用于未來的超高能（>1 TeV）直線電子對撞機中，這對高能粒子物理的研究至關(guān)重要[14]。下面就這兩個方面簡單給大家介紹兩個相關(guān)例子：

3.3.1 研究真空結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生真實粒子

大家可能會問為啥要研究真空結(jié)構(gòu)？真空不是什么也沒有嗎？其實，根據(jù)量子電動力學(xué)，真空并非一無所有，真空中有統(tǒng)計上有限的正能量，叫做空間的零點能，也就是說真空中至少是有能量的。

那么假設(shè)你還聽說過愛因斯坦的質(zhì)能方程E = mc2，你就會知道質(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)生真實的粒子（如電子），但是需要一個超級強的電場（大約是10²⁹ W/cm2）來激發(fā)，這個閾值電場被稱為Schwinger極限。因為“憑空”從真空中產(chǎn)生實物粒子，因此很多時候把這個過程叫做“真空擊穿”或者“真空撕裂”。

可是要產(chǎn)生如此強的電場仍然力有未逮，不過最近有研究表明，由于不存在理想的真空，因此從非理想真空激發(fā)產(chǎn)生實物粒子所需的激光強度將遠(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產(chǎn)生真實的粒子-反粒子對[16]。

圖9 真空中的虛粒子對的出現(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，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)胞但對健康細(xì)胞傷害很小，因此被形容為“治癌神器”或“腫瘤殺手”。“質(zhì)子刀”實質(zhì)上就是利用高能量的質(zhì)子（一種實物粒子）來替代“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)）中傳輸時損失的能量很小，且經(jīng)過一段傳輸距離（如身體表層皮膚）后，質(zhì)子束的大部分能量會沉積在末端（腫瘤所在之處），因此能實現(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，通常需要建一個大型的加速器，這使得質(zhì)子刀癌癥治療沒有獲得推廣。

然而利用超短超強脈沖在等離子體中激發(fā)的超強靜電場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)的將來我們就可以用激光質(zhì)子刀治療癌癥。

圖10 強激光加速的高能質(zhì)子用于治療癌癥

雖然在討論強激光應(yīng)用時功率是最常提及的指標(biāo)，但實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激光發(fā)展的一個關(guān)鍵問題就是隨著功率的提升，光源亮度并沒有同步提高，究其原因是功率提升時光束質(zhì)量非線性下降。

同樣問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)量是研制強激光裝置時必須追求的兩個核心性能。那是什么導(dǎo)致了輸出功率提升時，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)化效率都不可能達到100 %，這就使得在發(fā)射激光的過程中，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，為了散熱，高峰值功率的強激光無法在短時間內(nèi)實現(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)載受限問題將獲得非常大的解決！

圖11 理想-寒冰掌冷卻強激光

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

從1917年愛因斯坦提出受激輻射的概念以來，已經(jīng)一百多年過去了，激光的發(fā)明和發(fā)展都留下激動人心的故事，但一個個驚人的故事仍將續(xù)寫。筆者認(rèn)為此時的強激光仍處其少年時期，未來將在其應(yīng)用領(lǐng)域大放異彩。

由于筆者初生牛犢，水平實在有限，文中定有不妥之處，希望各位指正。

[1] 中國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：GJB8546—2015[S]. 北京：中國航空綜合技術(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)獎得主湯斯博士——深切緬懷湯斯教授逝世1周年(一). 中國市場. 2016(01):190-7.

[4] 羅樂, 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(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極紫外光刻光源進展. 中國光學(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)星激光器研究進展. 科技導(dǎo)報. 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. 二極管泵浦重復(fù)頻率納秒高能固體激光器研究進展. 中國激光. 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.

[14] 王貽芳, 魯巍. 粒子物理及高能加速器的未來? 新原理加速器能行嗎?

[15] Wu Y, Ji L, Li R. On the upper limit of laser intensity attainable in nonideal vacuum. Photonics Research. 2021;9(4):541-7.

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

[17] Fourmaux S, Buffechoux S, Albertazzi B, Capelli D, Lévy A, Gnedyuk S, et al. Investigation of laser-driven proton acceleration using ultra-short, ultra-intense laser pulses. Physics of Plasmas. 2013;20(1):013110.

[18] 張小民, 胡東霞, 許黨朋, 王靜, 程鑫彬, 劉軍, et al. 淺論強激光系統(tǒng)的物理受限問題. 中國激光. 2021;48(12):1201002.