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一文看懂超強(qiáng)超短激光

2017-07-19   來(lái)源：科學(xué)大院   評(píng)論：0
摘要：許多人知道X光，也聽說(shuō)過(guò)紅外光，有人使用過(guò)激光治療，也有人擔(dān)心紫外光的灼燒，但是，你知道什么是超強(qiáng)超短激光嗎？它是一種什么光？從哪兒來(lái)？有多亮？超強(qiáng)超短激光可以像醫(yī)學(xué)激光一樣為我們提供服務(wù)嗎？
       許多人知道X光，也聽說(shuō)過(guò)紅外光，有人使用過(guò)激光治療，也有人擔(dān)心紫外光的灼燒，但是，你知道什么是超強(qiáng)超短激光嗎？它是一種什么光？從哪兒來(lái)？有多亮？超強(qiáng)超短激光可以像醫(yī)學(xué)激光一樣為我們提供服務(wù)嗎？

下面就讓我們一起來(lái)了解一下。

超強(qiáng)超短激光是什么？

超強(qiáng)超短激光其實(shí)就是峰值功率大于1太瓦 (10^12瓦），脈沖寬度小于100 飛秒 (10^-15秒 )的激光，它的出現(xiàn)為人類提供了前所未有的極端物理?xiàng)l件與全新實(shí)驗(yàn)手段。

至此，自然界中只有在恒星內(nèi)部或是黑洞邊緣才能找到的高能量密度、甚至超高能量密度的極端條件已經(jīng)能在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)被制造出來(lái)。

目前，激光經(jīng)聚焦達(dá)到的最高光強(qiáng)已達(dá)到了10^22瓦/平方厘米 量級(jí)。此外，這種超強(qiáng)光場(chǎng)在時(shí)間范疇又是極端超快的，在遠(yuǎn)紫外線（XUV）波段，激光脈沖的超快時(shí)間尺度已經(jīng)突破飛秒（fs，10^-15秒）進(jìn)入了阿秒（as，10^-18秒）新范疇。

這么大的光強(qiáng)到底是什么概念呢？

要知道，自然界最強(qiáng)的光強(qiáng)，如宇宙中伽瑪射線暴，其對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)才10^20瓦/平方厘米 量級(jí)，而光強(qiáng)10^21瓦/平方厘米 約等于地球接收到的太陽(yáng)總輻射聚焦到頭發(fā)絲粗細(xì)的尺度。

除此之外更為重要的是，目前超強(qiáng)超短激光正處于取得重大科學(xué)技術(shù)突破和開拓重大應(yīng)用的關(guān)鍵階段，未來(lái)五年左右激光的聚焦強(qiáng)度可能超過(guò)10^23 瓦/平方厘米 甚至更高的超高量級(jí)，同時(shí)激光脈沖的時(shí)域?qū)Ρ榷瓤赡苓_(dá)到10^9-12。

超強(qiáng)超短激光的研究與發(fā)展是國(guó)際激光高技術(shù)的最新發(fā)展前沿與競(jìng)爭(zhēng)重點(diǎn)領(lǐng)域，正如《Science》專文指出，“這項(xiàng)工作將影響每一項(xiàng)研究，從聚變到天體物理。”

超強(qiáng)超短激光的國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)

超強(qiáng)超短激光領(lǐng)域如今正處于取得重大突破與開拓應(yīng)用的關(guān)鍵階段，國(guó)際上正在大力發(fā)展超強(qiáng)激光光源以及依托其的前沿科技創(chuàng)新平臺(tái)。

歐盟10多個(gè)國(guó)家的近40個(gè)研究院所和科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合提出Extreme Light Infrastructure（ELI），目標(biāo)是發(fā)展峰值功率200拍瓦（PW，10^15瓦）級(jí)超強(qiáng)超短激光裝置，并計(jì)劃于2017年建成10拍瓦超強(qiáng)超短激光用戶裝置，開創(chuàng)激光與物質(zhì)相互作用研究與應(yīng)用的新時(shí)代，該計(jì)劃已被納入歐盟未來(lái)大科學(xué)裝置發(fā)展路線圖。

ELI的主要科學(xué)目標(biāo)是：面向100GeV的激光加速、面向Schwinger場(chǎng)的真空結(jié)構(gòu)研究、1-10keV相干X射線產(chǎn)生與阿秒科學(xué)研究以及光核物理研究，發(fā)展10拍瓦乃至更高量級(jí)的大型超強(qiáng)超短激光裝置。

ELI下設(shè)四大研究裝置，分別為捷克布拉格ELI-Beamlines Facility，匈牙利賽格德ELI-Attosecond Facility，羅馬尼亞默古雷萊的 ELI-Nuclear Physics Facility，以及尚未定址的ELI-Ultrra High Field Facility。

2012年以來(lái)，ELI計(jì)劃陸續(xù)啟動(dòng)了3個(gè)子項(xiàng)目的研究，投入經(jīng)費(fèi)8.5億歐元，計(jì)劃于2017年研制數(shù)臺(tái)10拍瓦超強(qiáng)超短激光并建成用戶裝置，同時(shí)為下一步研制200拍瓦級(jí)超強(qiáng)激光大科學(xué)裝置打下基礎(chǔ)。

除了歐盟的ELI計(jì)劃外，英國(guó)和法國(guó)也正緊鑼密鼓地開展各自10拍瓦級(jí)超強(qiáng)超短激光裝置的研制工作，俄、美、德等國(guó)也紛紛提出了各自的拍瓦、10拍瓦乃至100拍瓦級(jí)超強(qiáng)超短激光裝置研究計(jì)劃。

英國(guó)盧瑟福實(shí)驗(yàn)室中央激光裝置（CLF）是一個(gè)多套激光束線的綜合平臺(tái)，而作為其核心裝置的英國(guó)盧瑟福實(shí)驗(yàn)室Vulcan激光裝置，計(jì)劃在6年內(nèi)投入2500萬(wàn)英鎊，采用OPCPA技術(shù)將其輸出脈沖峰值功率由拍瓦量級(jí)升級(jí)到10拍瓦量級(jí)，單脈沖能量300焦耳，脈寬30飛秒，聚焦光強(qiáng)達(dá)到10^23瓦/平方厘米。

法國(guó)的apollon裝置位于巴黎郊區(qū)，由法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心（CNRS）、巴黎綜合理工大學(xué)和法國(guó)高等科技學(xué)院設(shè)計(jì)建造，計(jì)劃于2015至2016年間建成。該裝置基于OPCPA前端組合鈦寶石放大器結(jié)構(gòu)，擬實(shí)現(xiàn)300焦耳放大脈沖輸出，壓縮后可獲得150焦耳、15飛秒、10拍瓦激光脈沖，聚焦光強(qiáng)超過(guò)2×10^22瓦/平方厘米，時(shí)間對(duì)比度大于10^12。

俄羅斯應(yīng)用物理研究所主導(dǎo)規(guī)劃的Exawatt Center for Extreme Light Studies (XCELS)同樣計(jì)劃實(shí)現(xiàn)前所未有的0.2艾瓦（200拍瓦）峰值功率，設(shè)計(jì)中的激光裝置包含12束15拍瓦、25飛秒超強(qiáng)超短激光，利用相干合成技術(shù)實(shí)現(xiàn)180拍瓦輸出，最高可能達(dá)到200拍瓦。同時(shí)，裝置還設(shè)計(jì)有一束100MeV（兆伏特）電子直線加速器和一束1拍瓦、1赫茲-10千赫茲重復(fù)頻率的探針光，擬開展高能物理強(qiáng)場(chǎng)物理相關(guān)未知現(xiàn)象和真空時(shí)空結(jié)構(gòu)探索的研究工作。

而美國(guó)的Lawrence Berkeley National Laboratory正在實(shí)行BELLA計(jì)劃，其內(nèi)容是首先與法國(guó)公司合作，通過(guò)購(gòu)置商品化的40焦耳、40飛秒、1赫茲的拍瓦級(jí)重復(fù)頻率超強(qiáng)超短激光系統(tǒng)，擬開展激光等離子體加速電子研究。

其目標(biāo)是產(chǎn)生小型化（米級(jí)）的10 GeV量級(jí)的高性能電子用于材料科學(xué)等前沿應(yīng)用研究，并為未來(lái)發(fā)展基于更高量級(jí)超強(qiáng)超短激光的1TeV電子束級(jí)聯(lián)（100級(jí)）激光等離子體加速器的電子正電子對(duì)撞機(jī)計(jì)劃提供研究基礎(chǔ)。

德國(guó)Helmholtz-Zentrum Dresden Rossendorf研究中心建立的ELBE裝置除了電子加速器束線以外，同時(shí)設(shè)立了超強(qiáng)超短激光、自由電子激光器（FEL）、X射線和中子束線等綜合性的束線平臺(tái)。

捷克首都布拉格的ELI-Beamlines Facility

超強(qiáng)超短激光在我國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀

這么厲害的一項(xiàng)前沿科技，我們中國(guó)當(dāng)然不會(huì)甘于人后，上海光機(jī)所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在2007年就成功研制的創(chuàng)當(dāng)時(shí)世界最高功率（0.89拍瓦）并最短脈寬（29.0飛秒）飛秒拍瓦級(jí)CPA 激光系統(tǒng)。

2013年，上述團(tuán)隊(duì)又進(jìn)一步發(fā)明精密時(shí)空操控、級(jí)聯(lián)脈沖凈化等新技術(shù)，有效解決高增益放大并超高時(shí)間對(duì)比度等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，并突破輸出激光脈沖達(dá)到超高時(shí)間對(duì)比度(10^11)的世界性技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)2.0PW的超高對(duì)比度激光脈沖輸出。

2014年年底，通過(guò)優(yōu)化注入等方法，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)展抑制寄生振蕩的新方法，基于直徑150毫米鈦寶石晶體，實(shí)現(xiàn)192.3焦耳放大輸出，為當(dāng)時(shí)國(guó)際上輸出能量最高的800納米寬帶激光脈沖。

2016年，上海光機(jī)所在張江科創(chuàng)中心采用基于大口徑鈦寶石晶體的啁啾脈沖放大（CPA）技術(shù)路線獲得5.4拍瓦峰值功率輸出，這是目前已知的國(guó)際最高激光脈沖峰值功率。為實(shí)現(xiàn)10拍瓦激光脈沖輸出的研制目標(biāo)奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

為了攻克10拍瓦激光峰值功率重大科技目標(biāo)，該實(shí)驗(yàn)室提出了以高對(duì)比度啁啾脈沖放大鏈和光學(xué)參量啁啾脈沖終端放大器相結(jié)合的混合放大器方案為總體技術(shù)路線。

2013年首次在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了CPA/OPCPA混合放大器方案實(shí)現(xiàn)0.61拍瓦激光脈沖輸出，2014年10月又進(jìn)一步將輸出能力升級(jí)到1拍瓦。這是目前國(guó)際上基于OPCPA放大器獲得的最高激光脈沖能量和最高峰值功率，驗(yàn)證了CPA/OPCPA混合放大器作為10拍瓦級(jí)超強(qiáng)超短激光裝置總體技術(shù)路線的可行性。

上海超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置

超強(qiáng)超短激光有什么用？

超強(qiáng)超短激光研究推動(dòng)著激光科學(xué)、原子分子物理、等離子體物理、高能物理與核物理等一批基礎(chǔ)與前沿交叉學(xué)科的開拓和發(fā)展。

同時(shí)這也將為相關(guān)戰(zhàn)略高技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展，如高亮度新波段相干光源，超高梯度高能粒子加速器、強(qiáng)場(chǎng)激光核醫(yī)學(xué)、聚變能源、精密測(cè)量等提供原理依據(jù)與科學(xué)基礎(chǔ)，對(duì)其有著不可替代的強(qiáng)大推動(dòng)作用。

這里，給您舉幾個(gè)例子吧：

1、研究反物質(zhì)

每一種粒子都有一個(gè)與之相對(duì)的反粒子。

理論認(rèn)為，反物質(zhì)只要和正物質(zhì)相遇就會(huì)湮滅。因此難以產(chǎn)生和保存，目前科學(xué)家很難在宇宙中找到反物質(zhì)，轉(zhuǎn)而在實(shí)驗(yàn)室的極端條件下嘗試獲取，這也成為物理學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

2016年，中科院上海光機(jī)所在國(guó)內(nèi)首次成功利用超強(qiáng)超短激光產(chǎn)生一種反物質(zhì)——超快正電子源，這一發(fā)現(xiàn)未來(lái)將在材料的無(wú)損探測(cè)、激光驅(qū)動(dòng)正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)、癌癥診斷技術(shù)研發(fā)等領(lǐng)域得到重大應(yīng)用，并入選兩院院士評(píng)選的2016年度“中國(guó)十大科技進(jìn)展新聞”。

2、微型自由電子激光器

超強(qiáng)超短激光驅(qū)動(dòng)的小型化自由電子激光新概念：

超強(qiáng)超短激光與一根“頭發(fā)絲”尺寸的微金屬絲相互作用，在產(chǎn)生高能電子束的同時(shí)，巧妙地利用電荷分離效應(yīng)構(gòu)建了微型、瞬態(tài)的電子波蕩器，獲得了效率優(yōu)于傳統(tǒng)方案10倍以上的強(qiáng)太赫茲輻射，也為小型化、低成本自由電子激光器提出全新方案。

3、尾波場(chǎng)電子加速研究

中科院上海光機(jī)所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室于2011年7月15日首次利用電離注入的全光驅(qū)動(dòng)雙尾波場(chǎng)級(jí)聯(lián)電子加速器方案，成功實(shí)現(xiàn)了電子注入與電子加速的兩個(gè)基本物理過(guò)程的分離與控制。

該實(shí)驗(yàn)獲得了能量近GeV的準(zhǔn)單能電子束和 187 GV/m的超高加速梯度等突破性研究成果。

這將是未來(lái)實(shí)現(xiàn)高性能10 GeV量級(jí)甚至更高能的單能電子束的可行方案，特別是對(duì)臺(tái)式化X射線自由電子激光等領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的推動(dòng)意義。

尾波場(chǎng)電子加速實(shí)驗(yàn)裝置

4、質(zhì)子成像

質(zhì)子照相作為一種密度診斷手段，可利用微分截止和散射來(lái)顯示樣本靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的密度變化，是目前探測(cè)等離子體中電磁場(chǎng)的唯一方法。

在過(guò)去的幾年中，質(zhì)子照相技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，在實(shí)驗(yàn)中成功探測(cè)到瞬時(shí)場(chǎng)的數(shù)據(jù)。

中科院上海光機(jī)所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室升級(jí)的拍瓦激光系統(tǒng)已經(jīng)可以成功產(chǎn)生10MeV以上的質(zhì)子束，成功利用飛秒拍瓦激光系統(tǒng)對(duì)蜻蜓進(jìn)行了質(zhì)子成像。

這也是拍瓦激光系統(tǒng)第一次通過(guò)縮小物距實(shí)現(xiàn)了蜻蜓的清晰成像，獲得了蜻蜓的等比例整體成像，同時(shí)分辨率達(dá)到微米量級(jí)。

質(zhì)子成像實(shí)驗(yàn)，（a）蜻蜓樣本，（b）PW激光，（c）第一層（d）第二層RCF上蜻蜓成像

成像結(jié)果，蜻蜓（a）腳部、（b）尾巴、（c）頭部和（d）翅膀的細(xì)微成像，（e）尾巴放大

5、尋找暗物質(zhì)

“暗物質(zhì)”被比作“籠罩在21世紀(jì)物理學(xué)天空中的烏云”。它由萬(wàn)有引力定律證實(shí)存在，卻從未被直接探測(cè)到?？茖W(xué)家估算，宇宙中包含5％的普通物質(zhì)，其余95％是看不見的暗物質(zhì)和暗能量。揭開暗物質(zhì)之謎將推動(dòng)人類解釋宇宙的存在和演化。

軸子，是暗物質(zhì)的重要候選者之一。由于它幾乎不和其他物質(zhì)相互作用，至今沒有被觀測(cè)到。但超強(qiáng)激光提供的超強(qiáng)電磁場(chǎng)有可能成為探測(cè)軸子的科學(xué)手段。

6、探究真空奧秘

真空，真的空無(wú)一物嗎？

在經(jīng)典物理概念中，它確實(shí)是空的，但量子電動(dòng)力學(xué)(QED)預(yù)言，真空不空，量子漲落無(wú)處不在，虛粒子對(duì)不斷產(chǎn)生、消失。

真空的神秘特性是QED最令人激動(dòng)的預(yù)言，未來(lái)的激光強(qiáng)度將高達(dá)10^23-25瓦/平方厘米，超強(qiáng)的光場(chǎng)可以激發(fā)真空的QED特性，使真空具備物質(zhì)屬性！

超強(qiáng)超短激光與高能光子源結(jié)合，將使人類第一次擁有窺視真空奧秘的機(jī)會(huì)，其中任何一個(gè)發(fā)現(xiàn)，都將是歷史性的。

7、激光引雷研究

利用超強(qiáng)超短激光開展雷電控制應(yīng)用研究受到世界上許多國(guó)家的高度重視，中科院上海光機(jī)所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室是國(guó)內(nèi)最早開展相關(guān)研究為數(shù)不多的幾家單位之一。

該實(shí)驗(yàn)室的研究人員基于以前的研究基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)上首次觀察到了激光誘導(dǎo)電暈放電現(xiàn)象并對(duì)這一發(fā)現(xiàn)展開了深入的研究。

這一成果為深入理解高壓電場(chǎng)沿著光絲的發(fā)展和演化過(guò)程以至于最終實(shí)現(xiàn)激光控制雷電提供了重要的科學(xué)依據(jù)。

（a）高壓電場(chǎng)空氣擊穿放電，（b）激光誘導(dǎo)高壓電場(chǎng)空氣擊穿放電，（c）激光誘導(dǎo)高壓電場(chǎng)電暈放電，（d）激光引雷概念

超強(qiáng)超短激光光源的建立與發(fā)展，及其廣泛的前沿應(yīng)用具有重要意義。

通過(guò)在極端物理?xiàng)l件下對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)和相互作用進(jìn)行研究可以使得人類對(duì)客觀世界規(guī)律的認(rèn)識(shí)更加深入和系統(tǒng)。

可見，超強(qiáng)超短激光光源的建立與發(fā)展，及其廣泛的前沿應(yīng)用具有重要意義。

為保持我國(guó)在該領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，引領(lǐng)相關(guān)學(xué)科和技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家們正在積極努力、不斷前行。（文章首發(fā)于科學(xué)大院，中科院上海光機(jī)所供稿）
 

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