我国超强超短激光实验装置已向世界开放

当前，10拍瓦（1拍瓦=1千万亿瓦）级别的激光建设，是世界各国的“兵家必争之地”。而世界首台10拍瓦激光实验装置就位于我国的浦东张江。

| 激光的原理

激光，原子受激辐射的光。其原理是原子中的电子吸收能量后从低能级跃迁到高能级，再从高能级回落到低能级时，所释放的能量以光子的形态放出。这些被激射出来的光子，光学特性高度一致，因而激光比较一般光源具有单色性、方向性好，亮度更高的特性。

自1960年第一台激光器诞生以来，科学家们一向寻求激光强度和功用的更大突破。超强超短激光便是一个典型，它的最大特点是“超强”和“超短”。

Ø“超强”是指这种激光的峰值功率一般大于1太瓦，这一功率相当于全球悉数发电机一同开动的总功率。

Ø“超短”是指这种激光持续的时刻很短，达到了飞秒量级，这么短的时间内，激光只能走一根头发丝粗细的间隔，不只人眼无法辨认，就连光电探头也无法分辩。

超强超短激光是人类目前已知的最亮光源，其发展已经成为国际科技竞争重大前沿之一。

▏啁啾（zhōu jiū）脉冲扩展技能

目前，取得超强超短激光最基本的办法，是由2018年诺贝尔物理学奖取得者穆鲁和斯特里克兰发明的啁啾脉冲扩展技能。在激光的扩展进程中，随着激光能量的添加，激光的脉冲峰值功率会不断升高，甚至超过激光材料的承受极限，导致材料损坏。啁啾脉冲扩展技能很好地处理了这一难题。

其第一步是用振荡器产生一个短脉冲并把它拉长，这一过程使脉冲的强度下降，然后就可以用标准的激光放大方法来放大这个脉冲。最后一步则是用一台结实的装置(如真空中的一对衍射光栅)将脉冲重新压缩回它原先的长度，这样就使它的功率大大提高，超出放大器功率极限的很多倍。

举例说明，最初的种子脉冲其长度为l00飞秒，能量为0．2纳焦耳。我们把它拉长10000倍，使其长度变为1纳秒(其功率则从大约2千瓦降低到0．2瓦)。然后把它放大10000个数量级，这样它的能量就增加到2焦耳，功率增加到2千瓦。把这个脉冲的长度重新压缩到100飞秒，就使功率增加到20万亿瓦。如果没有这项技术，让最初那个功率为2千瓦的脉冲穿过台式放大器就可能导致放大器被毁。

▏我国的超强超短激光装置

我国超强超短激光实验装置（SULF）有个富有诗意的名字：羲和，这是《山海经》中记载的生下十个太阳的女神。

科研团队介绍说，“假如地球外面有一个非常大的透镜，可以把照射在地球上的所有太阳光聚焦在一根头发丝上，就相当于1个拍瓦能产生的光强，那么10拍瓦就相当于10个太阳的光强。因此，我们把装置起名为‘羲和’。”

2017年10月24日，装置实现10.3拍瓦激光放大输出，在国际上首次实现300焦耳以上能量水平的宽带激光放大输出，脉冲压缩后宽度为21飞秒。2019年12月7日，装置获得激光中心波长为800纳米，输出能量404焦耳，重复频率3分钟/发次，压缩后脉冲宽度达24.6飞秒，平均峰值功率11.7拍瓦（最高峰值功率12.9拍瓦）的结果，再次打破世界纪录。

同时，依托该装置，科研团队成功研制了国际最大口径钛宝石晶体等核心器件。项目取得的成果，被国际顶尖学术期刊《科学》（Science）列举为国际上自1960年第一台激光器发明以来在激光脉冲功率提升方面的取得第五大里程碑式进展。

令人振奋的是，虽然全球都有这方面的科研“竞赛”，但我国是首个实现10拍瓦输出并能向用户开放的国家。欧盟、美国、韩国等都有类似计划，欧盟的相关计划起步较早，虽然近期达到10拍瓦输出，但还没有提供物理实验的能力。

▏超强超短激光的应用

因为强度高、效果时刻短，超强超短激光能够直接效果到物质的原子、分子层面，这为它的广泛应用翻开了大门。

Ø超强激光能够在试验室发明只在恒星内部或黑洞边际才具有的极点条件，例如超强的电磁场、超高的能量密度、超强的光压等，为研讨世界来历演化和物质互相效果等供给必要条件。

Ø超强激光还可为医治癌症供给“激光质子刀”新计划，高能质子因为定向堆积可用于靶向医治癌症。

Ø超短激光则在超快光学等范畴大显神通，科学家通过它能捕捉到十分高速的运动，哪怕是飞秒级的电子运动，也能被清楚地记载。该类激光在较低输出功率下已被广泛应用于生物成像、眼科激光手术、精细加工等范畴。

Ø超强超短激光的光强特别高，穿过空气时会电离成等离子体，能够利用它进行气候干与。随着激光技能的不断探索，未来或将能实现激光引雷和激光诱导降雪。

目前，“羲和”激光装置面向国内外高校、科研机构和企业开放，提供先进的物质科学与生命科学研究手段，已与数十家科研单位签订意向协议。质子加速、电子加速、高亮度等离子体高次谐波和阿秒脉冲产生等实验正在进行中。而装置的激光条件也吸引了世界上其他地区的科学家，希望利用这台激光装置开展联合研究。

目前，“羲和”已经成为世界上稳定输出的最高功率激光实验装置，未来，科研团队计划进一步建设100拍瓦的激光装置。

（图片来源于网络）作者 | 顾俊哲计算机科学与技术硕士，毕业后从事网络信息收集与整理工作，关注大众科普知识，探索前沿科技。