世上最強激光器激活!什么是啁啾脈沖放大技術
姬揚
2024年4月有新聞報道說,位于羅馬尼亞的一家高科技中心最近激活了世界上最強大的激光器。激光器我們都聽說過,知道它是一種很厲害的光源,發出來的光就是激光,強度大、方向性好、應用范圍廣,但是,這個新聞里的“世界上最強大”體現在哪里呢?它是怎么實現的呢?大家好,我是姬揚,今天就來講講這些事。
發光的東西就是光源,它把能量轉化為光。比如說,燃燒的蠟燭把化學能轉化為光,明亮的太陽把原子能轉化為光,發光二極管把電能轉化為光。怎么比較這些光的強弱呢?這就需要考慮幾個因素,包括光的能量、照射面積和持續時間,等等。
先考慮能量。羅馬尼亞激光器發出的是脈沖式的激光,每個激光脈沖的能量大約是10焦耳,相當于一瓶大可樂(大約1公斤)從1米高的桌子掉到地面上獲得的能量。如果砸到了你的腳上,會覺得有點疼,但也還能忍受。
然后是照射面積。同樣的能量施加在不同的面積上,效果是很不一樣的。這跟用手按圖釘的道理是一樣的:作用在圖釘帽上的力和圖釘尖上的力一樣大,但是你的手指不會受傷,就可以把圖釘按進木板里。普通光源發出來的光朝著四面八方走,激光具有很好的方向性,光的能量可以聚集在很小的面積上,所以強度(也就是通常說的光強)非常大。在四月份的中午,巴掌大的地面上每秒鐘接受的太陽光能量大約就是10焦耳,而羅馬尼亞激光器的光束寬度只有幾毫米,所以它們的光強也就差出幾十萬、幾百萬倍了。
還要考慮持續的時間。能量除以時間,就是我們通常說的功率。同樣的能量在不同的時間長度里釋放出來,功率是很不一樣的,效果也是大不相同的。比如說,小明扶著老奶奶過馬路,和警察一腳踹在流氓的屁股上,他們付出的總能量可能差不多,但是老奶奶安全地到達了馬路對面,而壞人卻直接來了個嘴啃泥。太陽光是均勻連續地照射,脈沖式激光器把有限的能量壓縮在很短的一段時間里釋放,所以瞬間的爆發效果就更加驚人了。
簡單地說,衡量一束光的強弱,就是把光的能量除以照射面積,再除以持續時間。同樣大小的能量,照射的面積越小,持續的時間越短,光的峰值功率就越大。
羅馬尼亞激光器能夠讓激光脈沖在1飛秒內達到10拍瓦的峰值,也就是說,把10焦耳的光能量壓縮到1飛秒也就是1000萬億分之一秒的光脈沖里。這是很難做到的,不僅因為1飛秒是很短的時間,還因為這個峰值功率太大了,什么材料都承受不起,都會被燒壞。為了實現這個了不起的成就,必須采用法國科學家穆魯在上個世紀80年代發明的啁啾脈沖放大技術,在保證激光強度的同時提升其功率。
自從1960年發明激光器以來,科學家們就一直努力提高激光的各項指標,對于脈沖激光器來說,兩個重要的目標是增大單個脈沖的能量和縮短脈沖的寬度。通過調Q、鎖模和克爾透鏡鎖模等超快激光技術,科學家可以把激光脈沖從毫秒的量級提高到納秒、皮秒乃至飛秒的量級,但是,提高單個脈沖激光的能量,需要在增益介質(也就是激光晶體)中對激光脈沖進行放大,困難就來了。超高的激光峰值功率會對增益介質造成損害,增大激光光束直徑,有助于降低它的峰值功率,但是效果不是特別明顯,還對激光晶體的生長也提出了不切實際的要求。啁啾脈沖放大技術就應運而生了。
激光是量子現象,也要服從量子力學的規律。根據測不準原理,當激光脈沖很短的時候,激光的波長就有一定的分布范圍。利用光柵或者光纖可以把不同波長的光分開,讓它們經過長短不同的路徑以后再重新匯合,這樣就可以把脈沖的持續時間拉長,不同波長也就是頻率的光到達的時間是不一樣的,仿佛鳥叫聲的婉轉起伏,所以這個現象就叫作“啁啾”。適當設計的系統可以把激光脈沖的寬度拉長幾萬倍甚至幾十萬倍,從飛秒的量級拉伸到皮秒甚至納秒,在此過程中,由于能量守恒,激光脈沖的峰值能量也會下降相應的倍數。當然,反過來也可以,把納秒或者皮秒的激光脈沖壓縮到飛秒的量級。
啁啾脈沖放大技術的工作原理是這樣的:首先生成一個小能量的超短激光脈沖(這就是種子光),然后在時間上把它拉伸成一個寬脈沖,隨后通過激光晶體進行放大,因為此時的脈沖寬度很大,峰值功率很低,即使放大很多倍也不會損壞激光晶體,單個脈沖可以擁有很高的能量,然后在反過來應用啁啾系統,把這個能量很大但持續時間也很長的激光脈沖擠壓到很短的時間里,就可以得到能量很大、持續時間很短的激光脈沖了。
啁啾激光放大技術非常重要,羅馬尼亞激光器只是一個典型的代表,那里的科學家們充分發揮了現有的技術手段,也許還發明了而一些新的方法,才創造出迄今最短、最強烈的激光脈沖,把10焦耳的光能量壓縮到1飛秒的超短時間里。現在從事這方面的研究的國家有很多,我國也有一些單位做出了非常出色的工作。
隨著激光科學和技術的進步,高強度的超短光脈沖在很多領域比如粒子物理學、核物理學、醫學等都展現了自己的價值。我們希望它在將來會有更多的進展,得到更廣泛的應用。
本文為科普中國·星空計劃扶持作品
作者名稱:姬揚
審核:左玉華 中科院半導體研究所研究員
出品:中國科協科普部
監制:中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司
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