激光，原子受激輻射的光。其原理是原子中的電子吸收能量后從低能級躍遷到高能級，再從高能級回落到低能級時，所釋放的能量以光子的形式放出。這些被激發(fā)出來的光子光學特性高度一致，因此激光相比普通光源單色性、方向性好，亮度更高。

自1960年第一臺激光器誕生以來，科學家們一直尋求激光強度和性能的更大突破。超強超短激光就是一個典型，它的最大特點是“超強”和“超短”。“超強”是指這種激光的峰值功率一般大于1太瓦(1太瓦等于1萬億瓦)，這一功率相當于全球所有發(fā)電機同時開動的總功率。“超短”是指這種激光持續(xù)的時間很短，達到了飛秒量級(1飛秒等于1千萬億分之一秒)，這么短的時間內(nèi)，激光只能走一根頭發(fā)絲粗細的距離，不僅人眼無法識別，就連光電探頭也無法分辨。

目前，獲得超強超短激光最基本的方法，是由2018年諾貝爾物理學獎獲得者穆魯和斯特里克蘭發(fā)明的啁啾脈沖放大技術。在激光的放大過程中，隨著激光能量的增加，激光的脈沖峰值功率會迅速升高，可能超過激光材料的損傷閾值，導致材料損壞。啁啾脈沖放大技術很巧妙地解決了這一難題，它將一個超短脈沖在時間上拉寬后再進行能量的放大，當脈沖拉寬時，功率也會變得很低，即使能量提高很多倍，脈沖峰值功率也能保持在材料可承受范圍內(nèi)。然后，再在時域上將脈沖壓縮到超短的水平，就可以極大增強激光脈沖的功率。實踐中，占地達1000平方米的龐大激光器輸出的超強超短激光，在極短時間內(nèi)峰值功率可達10拍瓦(1拍瓦等于1千萬億瓦)，被稱為“最亮光源”。

由于強度高、作用時間短，超強超短激光可以直接作用到物質(zhì)的原子、分子層面，這為它的廣泛應用打開了大門。超強激光可以在實驗室創(chuàng)造只在恒星內(nèi)部或黑洞邊緣才具有的極端條件，例如超強的電磁場、超高的能量密度、超強的光壓等，為研究宇宙起源演化和物質(zhì)相互作用等提供必要條件。超強激光還可為治療癌癥提供“激光質(zhì)子刀”新方案，高能質(zhì)子由于定向沉積可用于靶向治療癌癥，超強激光可在厘米范圍內(nèi)將質(zhì)子加速到所需能量，該方案目前尚在實驗階段。超短激光則在超快光學等領域大顯身手，科學家通過它能捕捉到非常高速的運動，哪怕是飛秒級的電子運動，也能被清晰地記錄。該類激光在較低輸出功率下已被廣泛應用于生物成像、眼科激光手術、精密加工等領域。此外，由于超強超短激光的光強特別高，穿過空氣時會電離成等離子體，可以利用它進行天氣干預。隨著激光技術的不斷發(fā)展，未來或?qū)⒛軐崿F(xiàn)激光引雷和激光誘導降雪。

2016年，我國實現(xiàn)了5拍瓦激光放大和脈沖壓縮輸出，刷新了當時激光脈沖峰值功率的世界紀錄;2017年，我國成功實現(xiàn)了10拍瓦激光放大輸出，繼續(xù)保持國際同類研究的領先水平。相信經(jīng)過科學家的不斷努力，超強超短激光研究將實現(xiàn)更大發(fā)展，給人們的未來帶來更加神奇的技術。(李沙沙)

(作者為中國科學院上海光學精密機械研究所科學傳播主管)

《 人民日報 》( 2020年04月24日 17 版)

關鍵詞： 激光應用