探秘激光 中国科学院院士李儒新解读超强超短激光

2019-09-09 22:18     来源: 新华网

新华网上海8月18日电(钟艳平)“超强超短激光被称为最亮光源,能提供前所未有的极端物理条件与全新实验手段,利用它能探索到自然界更多的奥秘。”16日,在“暑期院士专家系列讲坛”活动第二场“探秘激光-从在地球上造小太阳说起”主题讲座活动中,中国科学院院士、中国科学院上海光学精密机械研究所所长李儒新说。那什么是超强超短激光?超强超短激光能产生哪些极端条件?为什么要研究超强超短激光?活动现场,李儒新对这些问题一一进行解答。

 

什么是超强超短激光?它有什么特点?

超强超短激光一般指峰值功率大于1太瓦(1太瓦=1万亿瓦),脉冲宽度小于100飞秒(1飞秒等于1千万亿分之一秒)的激光。“家用灯泡功率一般是几瓦至几十瓦,而超强超短激光一瞬间的功率能达到十亿瓦甚至一百亿瓦。”李儒新生动地介绍,超强超短激光的最大特点是“强”和“短”,“短”是指时间上非常短,很快。

 

超强超短激光的“超强”“超短”有什么作用?

“拍摄运动中的物体时,照片往往会变得很模糊,但是当激光很“短”时,就能探测到很快的运动,就像照相机快门一样,快门越短就能拍出越快的运动。”李儒新形象地比喻,利用“超短”的特点,激光能捕捉到非常高速的运动,哪怕是飞秒级的电子运动,也能清晰地记录下来。而对于“超强”,李儒新表示,“超强”激光可以为科学研究创造更多极端条件,例如,超高的能量密度、超强的光压等,这些极端条件一般在恒星内部或是黑洞边缘才会产生,对科学研究非常有帮助。“假如我们想研究太阳内部物质的状态,以人类目前的科学水平,还无法靠近太阳,所以也难以进行研究,但有了超强超短激光,科研人员可以利用它将一个物体加热至像太阳一样的温度,同时,用强激光从四面八方向物体施压,使物体达到高密度状态,因此科研人员就能模拟出像太阳一样的环境条件,在地球上进行实验。”除了能在实验室模拟天体物理条件以外,超强超短激光还能广泛应用于激光清洗、超快激光以及材料切割、加工等领域。

 

怎么制造超强超短激光?

李儒新分享,虽然在1960年时激光器已经被发明出来,但科学家们从未停止在其性能上寻求更大突破,在这个过程中诸多新技术、新方法不断涌现,而目前获得超强超短激光最基本的方法则是2018年诺贝尔物理学奖获得者热拉尔·穆鲁和唐娜·斯特里克兰发明的“啁啾脉冲放大”技术。

在激光的放大过程中,如果增加激光的能量,激光的功率就会迅速升高,可能超过激光材料的损伤阈值导致材料被破坏。这也是此前激光的功率提升中遇到的一大瓶颈。“‘啁啾脉冲放大’技术则很巧妙地解决了这一难题。”李儒新介绍,“啁啾脉冲放大”技术能将一个短脉冲在时间上拉宽后再进行能量的放大,然后再进行时间上的压缩,当脉冲拉宽时,功率也会变得很低,即使能量达到很高的倍数,功率也能保持在一定可承受范围内,材料也不会被破坏。然后,再在时域上对脉冲进行压缩,这样则可以极大增强激光脉冲的功率。

2013年,我国实现了当时最高峰值功率2拍瓦激光输出;2016年8月,我国实现了5拍瓦激光放大和脉冲压缩输出,刷新了激光脉冲峰值功率的世界纪录;2017年10月,我国成功实现了10拍瓦激光放大输出,达到国际同类研究的领先水平。回顾我国超强超短激光研究历程,李儒新称并非一路坦途,经过无数科学家的不断努力,才实现了从追赶到局部领跑的跨越。

 

主题讲座后,李儒新与中国科学院上海光学精密机械研究所副所长陈卫标、中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室主任冷雨欣围绕大型激光装置发展现状与趋势、超强超短激光未来研究趋势等热点问题进行热烈讨论。

本次活动由上海市新闻出版局、上海市科学技术协会主办,上海科协大讲坛、科普中国-科技前沿大师谈、上海市激光学会、上海市科普作家协会等承办,上海市科普作家协会秘书长江世亮主持活动,活动吸引了300余人参加。

本作品为“科普中国-科技前沿大师谈”原创,转载时务请注明出处。

作者: 钟艳平

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