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超快激光技术及其应用进展

导读: 超快激光是激光中的一种,是脉冲波在ps、fs量级上的激光。飞秒(fs)是极短的时间单位,即10-15,仅仅是1千万亿分之一秒,如果将10fs作为几何平均来衡量宇宙,其寿命仅不过1min而已。

  激光作为20世纪人类最重要的科技发明之一,经过40年的发展,直接推动了一批新兴学科与高新技术的发展,如非线性光学、激光光谱学、强场物理、光通信、光计算、光信息存储、激光化学、激光医学、激光生物学、激光核聚变、激光分离同位素、激光全息术、激光加工等等。同时,激光技术也已经走进了人们的日常生活,如随处可见的CD唱机、VCD影碟机、超市收银机的条形码扫描仪、激光打印机等,无不采用先进的激光技术。激光的发展开拓了激光技术的应用,激光技术的应用又推动了激光科学技术的进一步发展。

  激光科技的最新前沿之一是超强超快激光。超强即超高的功率和功率密度(指单位面积上的功率),目前一个激光系统甚至可产生高达1015瓦的峰值功率,而全世界电网的平均功率只不过1012瓦数量级;超快即极短的时间尺度,目前激光脉冲最短不过几个飞秒(10-15秒),光在1飞秒内仅仅传播0.3微米。

  近年来新型小型化超强超快激光技术的迅猛发展,为人类提供了全新的实验手段与极端的物理条件。这种在实验室中创造的极端物理条件,目前还只有在核爆中心、恒星内部、或是黑洞边缘才能找到。在当今超强超快激光技术已经提供并将由于其进一步发展而能提供的越来越强并越来越快的光场条件下,激光与各种形态物质之间的相互作用,将进入到前所未有的高度非线性与相对论性起主导作用的强场超快范围,并将进一步把光与物质的相互作用研究深入到更深的物质层次,甚至光与真空的相互作用,由此开创了超强超快激光这一全新的现代科学技术前沿领域。

  超强超快激光物理与技术

  输出功率大于1太瓦,脉宽 小于1皮秒,可聚焦激光功率密度大于1017瓦/厘米2的小型化超强超快激光的发展研究,是超强超快激光研究广泛深入开展的基础和推动力。

  近十几年来,由于啁啾脉冲放大(chirped pulse amplification, 简称CPA)技术的提出和应用,宽带激光晶体材料(如掺钛蓝宝石)的出现,以及克尔透镜锁模技术的发明,使超强超快激光技术得到迅猛发展。小型化飞秒太瓦(1012瓦)甚至更高数量级的超强超快激光系统已在各国实验室内建成并发挥重要作用。最近,更短脉冲和更高功率的激光输出,如直接由激光振荡器产生的短于5飞秒的激光脉冲,小型化飞秒100太瓦级超强超快激光系统,以及CPA技术应用到传统大型钕玻璃激光装置上获得1拍瓦(1015瓦)级激光输出已有报道,激光功率密度达到10191020瓦 /厘米2的超强超快激光与物质相互作用研究也已开始进行。

  传统的激光放大采用直接的行波放大,而对超短激光脉冲来说,随着能量的提高,其峰值功率将很快增加,并出现各种非线性效应及增益饱和效应,从而限制了能量的进一步放大。

  CPA技术的原理是,在维持光谱宽度不变的情况下通过色散元件将脉冲展宽好几个数量级,形成所谓的啁啾脉冲。这样,在放大过程中,即使激光脉冲的能量增加很快,其峰值功率也可以维持在较低水平,从而避免出现非线性效应及增益饱和效应,保证激光脉冲能量的稳定增长。当能量达到饱和放大可获得的能量之后,借助与脉冲展宽时色散相反的元件将脉冲压缩到接近原来的宽度,即可使峰值功率大大提高。

  为了突破CPA技术的一些局限性,目前国际上正在积极探索发展新一代超强超快激光的新原理与新方法,如啁啾脉冲光学参量放大(OPCPA)原理,目标是创造更强更快的强场超快极端物理条件,特别是获得大于(等于)1021瓦/厘米2的可聚焦激光光强。OPCPA充分发挥了啁啾脉冲放大与光学参量放大各自的优点,是国际上近年来提出的发展超强超快激光的全新技术途径。

  OPCPA原理目前还处于中等功率层次上的预研阶段,但却蕴涵着强大的生命力。此外,超强超快激光光束质量的优化、时空轮廓的整形与控制,周期脉宽小于10飞秒的超短激光脉冲的产生、有效放大与性能优化,也是今后持续创新发展的主要方向。

  推动基础学科和高技术领域的发展

  超强超快激光不仅具有重大的前沿学科意义,将创造出全新的实验室尺度,即所谓台式的综合性极端条件的科学技术,从而直接推动激光科学与现代光学、原子分子物理、等离子体物理、高能物理与核物理、凝聚态物理、天体物理、理论物理以及非线性科学等一大批基础学科的发展,而且在当代一些重要高技术领域的创新发展中,如突破飞秒壁垒的亚飞秒乃至阿秒(10-18秒)科学新原理、激光核聚变快点火新概念、激光引发的台式化聚变中子源新方案、小型化超高梯度粒子加速器新机制、台式超短波长超快相干辐射新途径等方面,也有着不可替代的推动作用。

  目前,在远比传统装置小型化的台式激光系统上已经产生了高重复频率的超短脉冲(通常是10-13秒甚至更短)太瓦甚至更高数量级的激光输出。激光经聚焦达到的光强在过去的十年里已提高了五六个数量级,达到了1019~1020瓦/厘米2。不久,将会达到创记录的1021瓦/厘米2,从而创造出实验室尺度的极端物理条件。1021瓦/厘米2的光强,产生的局域电场将高达1012伏/厘米,相当于氢原子第一玻尔轨道处库仑场强的170倍;相应的磁场将达到105特的超强范围;相应的能量密度已在3×1010焦/厘米3以上,与温度为10千电子伏的黑体的能量密度相当;同时,将产生巨大的光压,接近1017帕。在如此高的激光场中,电子的振荡动能将高于10兆电子伏(对于波长为1.06微米激光),大大超过电子自身静止质量(0.5兆电子伏),而电子的加速度也将达到1022米/秒2,即1021g(重力加速度)的数量级,高度非线性与相对论效应已成为主导。

  本领域的早期研究已经表明,强场激光与原子、分子的相互作用导致隧道电离、势垒抑制电离、高阶奇次谐波、稳定化及分子的相位控制与库仑爆炸等相关新现象。应用于非线性问题的常规微扰方法已被非微扰理论所取代。目前,超强超快激光与原子的相互作用已进入到相对论效应起主导作用的新阶段,以至必须采用狄拉克方程才能正确处理相互作用的动力学行为。另一方面,现今获得的激光脉宽已小于10飞秒,最短达4飞秒,仅包含了1.5个光周期(对波长为800纳米的激光)。严格说,此时的光脉冲已不成为"光波",失去了波动现象所特有的周期性特征。传统的适用于较长脉宽光与物质相互作用的理论已不再适用,从而开创出极端非线性相互作用的新理论。周期乃至亚周期量级脉冲的超强超快激光与各种形态物质的相互作用也将会导致一系列全新的物理现象与规律。寻求这些新现象、新规律,建立相关的新概念、新理论成为迫在眉睫的研究任务,是国际上超强超快激光科学研究领域争夺的重点。

  超强超快激光与团簇、高温高密度等离子体、自由电子等特殊形态物质的相互作用也已成为新的研究方向,它不仅大大拓宽本学科领域的纵深发展,也将为相关重要高技术领域的创新发展提供新方案与新途径。

  最近,实验研究已观察到多光子激发产生的带有大量内壳层空穴的电子组态反转的"空心"原子,这将为实现超短波长相干辐射开辟全新途径;超强超快激光与大尺寸原子团簇的相互作用首次成功引发了台式聚变,从而为"台式化"聚变新概念指明了前景。此外,超强超快激光与团簇的相互作用研究,有可能作为一种桥梁,帮助人们更加完整地认识光与物质的相互作用。

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