當(dāng)前，10拍瓦（1拍瓦=1千萬億瓦）級別的激光建設(shè)，是世界各國的“兵家必爭之地”。而世界首臺10拍瓦激光實驗裝置就位于我國的浦東張江。

| 激光的原理

激光，原子受激輻射的光。其原理是原子中的電子吸收能量后從低能級躍遷到高能級，再從高能級回落到低能級時，所釋放的能量以光子的形態(tài)放出。這些被激射出來的光子，光學(xué)特性高度一致，因而激光比較一般光源具有單色性、方向性好，亮度更高的特性。

自1960年第一臺激光器誕生以來，科學(xué)家們一向?qū)で蠹す鈴?qiáng)度和功用的更大突破。超強(qiáng)超短激光便是一個典型，它的最大特點是“超強(qiáng)”和“超短”。

?“超強(qiáng)”是指這種激光的峰值功率一般大于1太瓦，這一功率相當(dāng)于全球悉數(shù)發(fā)電機(jī)一同開動的總功率。

?“超短”是指這種激光持續(xù)的時刻很短，達(dá)到了飛秒量級，這么短的時間內(nèi)，激光只能走一根頭發(fā)絲粗細(xì)的間隔，不只人眼無法辨認(rèn)，就連光電探頭也無法分辯。

超強(qiáng)超短激光是人類目前已知的最亮光源，其發(fā)展已經(jīng)成為國際科技競爭重大前沿之一。

▏啁啾（zhōu jiū）脈沖擴(kuò)展技能

目前，取得超強(qiáng)超短激光最基本的辦法，是由2018年諾貝爾物理學(xué)獎取得者穆魯和斯特里克蘭發(fā)明的啁啾脈沖擴(kuò)展技能。在激光的擴(kuò)展進(jìn)程中，隨著激光能量的添加，激光的脈沖峰值功率會不斷升高，甚至超過激光材料的承受極限，導(dǎo)致材料損壞。啁啾脈沖擴(kuò)展技能很好地處理了這一難題。

其第一步是用振蕩器產(chǎn)生一個短脈沖并把它拉長，這一過程使脈沖的強(qiáng)度下降，然后就可以用標(biāo)準(zhǔn)的激光放大方法來放大這個脈沖。最后一步則是用一臺結(jié)實的裝置(如真空中的一對衍射光柵)將脈沖重新壓縮回它原先的長度，這樣就使它的功率大大提高，超出放大器功率極限的很多倍。

舉例說明，最初的種子脈沖其長度為l00飛秒，能量為0．2納焦耳。我們把它拉長10000倍，使其長度變?yōu)?納秒(其功率則從大約2千瓦降低到0．2瓦)。然后把它放大10000個數(shù)量級，這樣它的能量就增加到2焦耳，功率增加到2千瓦。把這個脈沖的長度重新壓縮到100飛秒，就使功率增加到20萬億瓦。如果沒有這項技術(shù)，讓最初那個功率為2千瓦的脈沖穿過臺式放大器就可能導(dǎo)致放大器被毀。

▏我國的超強(qiáng)超短激光裝置

我國超強(qiáng)超短激光實驗裝置（SULF）有個富有詩意的名字：羲和，這是《山海經(jīng)》中記載的生下十個太陽的女神。

科研團(tuán)隊介紹說，“假如地球外面有一個非常大的透鏡，可以把照射在地球上的所有太陽光聚焦在一根頭發(fā)絲上，就相當(dāng)于1個拍瓦能產(chǎn)生的光強(qiáng)，那么10拍瓦就相當(dāng)于10個太陽的光強(qiáng)。因此，我們把裝置起名為‘羲和’。”

2017年10月24日，裝置實現(xiàn)10.3拍瓦激光放大輸出，在國際上首次實現(xiàn)300焦耳以上能量水平的寬帶激光放大輸出，脈沖壓縮后寬度為21飛秒。2019年12月7日，裝置獲得激光中心波長為800納米，輸出能量404焦耳，重復(fù)頻率3分鐘/發(fā)次，壓縮后脈沖寬度達(dá)24.6飛秒，平均峰值功率11.7拍瓦（最高峰值功率12.9拍瓦）的結(jié)果，再次打破世界紀(jì)錄。

同時，依托該裝置，科研團(tuán)隊成功研制了國際最大口徑鈦寶石晶體等核心器件。項目取得的成果，被國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）列舉為國際上自1960年第一臺激光器發(fā)明以來在激光脈沖功率提升方面的取得第五大里程碑式進(jìn)展。

令人振奮的是，雖然全球都有這方面的科研“競賽”，但我國是首個實現(xiàn)10拍瓦輸出并能向用戶開放的國家。歐盟、美國、韓國等都有類似計劃，歐盟的相關(guān)計劃起步較早，雖然近期達(dá)到10拍瓦輸出，但還沒有提供物理實驗的能力。

▏超強(qiáng)超短激光的應(yīng)用

因為強(qiáng)度高、效果時刻短，超強(qiáng)超短激光能夠直接效果到物質(zhì)的原子、分子層面，這為它的廣泛應(yīng)用翻開了大門。

?超強(qiáng)激光能夠在試驗室發(fā)明只在恒星內(nèi)部或黑洞邊際才具有的極點條件，例如超強(qiáng)的電磁場、超高的能量密度、超強(qiáng)的光壓等，為研討世界來歷演化和物質(zhì)互相效果等供給必要條件。

?超強(qiáng)激光還可為醫(yī)治癌癥供給“激光質(zhì)子刀”新計劃，高能質(zhì)子因為定向堆積可用于靶向醫(yī)治癌癥。

?超短激光則在超快光學(xué)等范疇大顯神通，科學(xué)家通過它能捕捉到十分高速的運動，哪怕是飛秒級的電子運動，也能被清楚地記載。該類激光在較低輸出功率下已被廣泛應(yīng)用于生物成像、眼科激光手術(shù)、精細(xì)加工等范疇。

?超強(qiáng)超短激光的光強(qiáng)特別高，穿過空氣時會電離成等離子體，能夠利用它進(jìn)行氣候干與。隨著激光技能的不斷探索，未來或?qū)⒛軐崿F(xiàn)激光引雷和激光誘導(dǎo)降雪。

目前，“羲和”激光裝置面向國內(nèi)外高校、科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)開放，提供先進(jìn)的物質(zhì)科學(xué)與生命科學(xué)研究手段，已與數(shù)十家科研單位簽訂意向協(xié)議。質(zhì)子加速、電子加速、高亮度等離子體高次諧波和阿秒脈沖產(chǎn)生等實驗正在進(jìn)行中。而裝置的激光條件也吸引了世界上其他地區(qū)的科學(xué)家，希望利用這臺激光裝置開展聯(lián)合研究。

目前，“羲和”已經(jīng)成為世界上穩(wěn)定輸出的最高功率激光實驗裝置，未來，科研團(tuán)隊計劃進(jìn)一步建設(shè)100拍瓦的激光裝置。

（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）

作者 | 顧俊哲

計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)碩士，畢業(yè)后從事網(wǎng)絡(luò)信息收集與整理工作，關(guān)注大眾科普知識，探索前沿科技。