正天知識堂:超快激光的特點

激光技術 | 2018-10-28 04:43

正天知識堂

?? 正天知識堂主要是講述一些與激光加工有關的小知識,希望大家能更好的理解激光的加工應用知識。最近幾期的知識堂都圍繞著超快激光, 今天的主題是超快激光都有哪些特點…

全新的現代科學技術前沿領域

  近年來新型小型化超強超快激光技術的迅猛發展,為人類提供了全新的實驗手段與極端的物理條件。這種在實驗室中創造的極端物理條件,目前還只有在核爆中心、恒星內部、或是黑洞邊緣才能找到。

? ? ? ?在當今超強超快激光技術已經提供并將由于其進一步發展而能提供的越來越強并越來越快的光場條件下,激光與各種形態物質之間的相互作用,將進入到前所未有的高度非線性與相對論性起主導作用的強場超快范圍,并將進一步把光與物質的相互作用研究深入到更深的物質層次,甚至光與真空的相互作用,由此開創了超強超快激光這一全新的現代科學技術前沿領域。

超強超快激光物理與技術

  輸出功率大于1太瓦,脈寬 小于1皮秒,可聚焦激光功率密度大于1017瓦/厘米2的小型化超強超快激光的發展研究,是超強超快激光研究廣泛深入開展的基礎和推動力。

  近十幾年來,由于啁啾脈沖放大(chirped pulse amplification, 簡稱CPA)技術的提出和應用,寬帶激光晶體材料(如摻鈦藍寶石)的出現,以及克爾透鏡鎖模技術的發明,使超強超快激光技術得到迅猛發展。小型化飛秒太瓦(1012瓦)甚至更高數量級的超強超快激光系統已在各國實驗室內建成并發揮重要作用。最近,更短脈沖和更高功率的激光輸出,如直接由激光振蕩器產生的短于5飛秒的激光脈沖,小型化飛秒100太瓦級超強超快激光系統,以及CPA技術應用到傳統大型釹玻璃激光裝置上獲得1拍瓦(1015瓦)級激光輸出已有報道,激光功率密度達到1019~1020瓦 /厘米2的超強超快激光與物質相互作用研究也已開始進行。

 傳統的激光放大采用直接的行波放大,而對超短激光脈沖來說,隨著能量的提高,其峰值功率將很快增加,并出現各種非線性效應及增益飽和效應,從而限制了能量的進一步放大。

  CPA技術的原理是,在維持光譜寬度不變的情況下通過色散元件將脈沖展寬好幾個數量級,形成所謂的啁啾脈沖。這樣,在放大過程中,即使激光脈沖的能量增加很快,其峰值功率也可以維持在較低水平,從而避免出現非線性效應及增益飽和效應,保證激光脈沖能量的穩定增長。當能量達到飽和放大可獲得的能量之后,借助與脈沖展寬時色散相反的元件將脈沖壓縮到接近原來的寬度,即可使峰值功率大大提高。

  為了突破CPA技術的一些局限性,目前國際上正在積極探索發展新一代超強超快激光的新原理與新方法,如啁啾脈沖光學參量放大(OPCPA)原理,目標是創造更強更快的強場超快極端物理條件,特別是獲得大于(等于)1021瓦/厘米2的可聚焦激光光強。OPCPA充分發揮了啁啾脈沖放大與光學參量放大各自的優點,是國際上近年來提出的發展超強超快激光的全新技術途徑。

  OPCPA原理目前還處于中等功率層次上的預研階段,但卻蘊涵著強大的生命力。此外,超強超快激光光束質量的優化、時空輪廓的整形與控制,周期脈寬小于10飛秒的超短激光脈沖的產生、有效放大與性能優化,也是今后持續創新發展的主要方向。

推動基礎學科和高技術領域的發展

  超強超快激光不僅具有重大的前沿學科意義,將創造出全新的實驗室尺度,即所謂臺式的綜合性極端條件的科學技術,從而直接推動激光科學與現代光學、原子分子物理、等離子體物理、高能物理與核物理、凝聚態物理、天體物理、理論物理以及非線性科學等一大批基礎學科的發展,而且在當代一些重要高技術領域的創新發展中,如突破飛秒壁壘的亞飛秒乃至阿秒(10-18秒)科學新原理、激光核聚變快點火新概念、激光引發的臺式化聚變中子源新方案、小型化超高梯度粒子加速器新機制、臺式超短波長超快相干輻射新途徑等方面,也有著不可替代的推動作用。

  目前,在遠比傳統裝置小型化的臺式激光系統上已經產生了高重復頻率的超短脈沖(通常是10-13秒甚至更短)太瓦甚至更高數量級的激光輸出。激光經聚焦達到的光強在過去的十年里已提高了五六個數量級,達到了1019~1020瓦/厘米2。不久,將會達到創記錄的1021瓦/厘米2,從而創造出實驗室尺度的極端物理條件。1021瓦/厘米2的光強,產生的局域電場將高達1012伏/厘米,相當于氫原子第一玻爾軌道處庫侖場強的170倍;相應的磁場將達到105特的超強范圍;相應的能量密度已在3×1010焦/厘米3以上,與溫度為10千電子伏的黑體的能量密度相當;同時,將產生巨大的光壓,接近1017帕。在如此高的激光場中,電子的振蕩動能將高于10兆電子伏(對于波長為1.06微米激光),大大超過電子自身靜止質量(0.5兆電子伏),而電子的加速度也將達到1022米/秒2,即1021g(重力加速度)的數量級,高度非線性與相對論效應已成為主導。

 本領域的早期研究已經表明,強場激光與原子、分子的相互作用導致隧道電離、勢壘抑制電離、高階奇次諧波、穩定化及分子的相位控制與庫侖爆炸等相關新現象。應用于非線性問題的常規微擾方法已被非微擾理論所取代。目前,超強超快激光與原子的相互作用已進入到相對論效應起主導作用的新階段,以至必須采用狄拉克方程才能正確處理相互作用的動力學行為。另一方面,現今獲得的激光脈寬已小于10飛秒,最短達4飛秒,僅包含了1.5個光周期(對波長為800納米的激光)。嚴格說,此時的光脈沖已不成為"光波",失去了波動現象所特有的周期性特征。傳統的適用于較長脈寬光與物質相互作用的理論已不再適用,從而開創出極端非線性相互作用的新理論。周期乃至亞周期量級脈沖的超強超快激光與各種形態物質的相互作用也將會導致一系列全新的物理現象與規律。尋求這些新現象、新規律,建立相關的新概念、新理論成為迫在眉睫的研究任務,是國際上超強超快激光科學研究領域爭奪的重點。

  超強超快激光與團簇、高溫高密度等離子體、自由電子等特殊形態物質的相互作用也已成為新的研究方向,它不僅大大拓寬本學科領域的縱深發展,也將為相關重要高技術領域的創新發展提供新方案與新途徑。

  最近,實驗研究已觀察到多光子激發產生的帶有大量內殼層空穴的電子組態反轉的"空心"原子,這將為實現超短波長相干輻射開辟全新途徑;超強超快激光與大尺寸原子團簇的相互作用首次成功引發了臺式聚變,從而為"臺式化"聚變新概念指明了前景。此外,超強超快激光與團簇的相互作用研究,有可能作為一種橋梁,幫助人們更加完整地認識光與物質的相互作用。

  當光強大于(等于)1018瓦/厘米2時,激光與電子的相互作用進入超相對論性強場范圍。實驗上已首次觀察到:自由電子在真空中被加速到兆電子伏數量級的相對論能量;非線性湯姆孫散射及其所產生的約300飛秒、0.05納米的超快硬X射線脈沖;多光子非線性康普頓散射。尤其引人注目的是首次觀測到非彈性光子-光子散射產生正負電子對的強場量子電動力學現象。

  基于非線性湯姆孫散射與康普頓散射的X光、γ光源的產生與應用,以及真空中亞周期脈寬超強超快激光場對電子的加速等,也是超強超快激光與自由電子相互作用研究中的熱點課題。此外,在超強超快激光與稀薄等離子體相互作用中產生的尾波場實驗中,也觀察到比傳統的高能粒子加速器的極限加速電場高出三個數量級以上的超高梯度加速場,從而為實現小型化的高能粒子加速器提出了新方案。

  近年來,超強超快激光與高溫高密度等離子體的相互作用,特別是相對論效應引起的高度非線性新現象、新規律的研究,也已引起國際學術界的高度重視。雖然目前已觀測到超強超快激光產生巨大光壓,推動臨界密度面向前移動,從而形成等離子體通道等新現象,但涉及到1018~1020瓦/厘米2數量級的超強超快激光與高溫高密度等離子體的相互作用,如"等離子體中鑿孔"效應、超熱電子的產生、能譜控制與輸運等基礎性物理問題還有待于深入研究。顯然,超強超快激光與高溫高密度等離子體相互作用的研究不僅是本領域的重要研究內容之一,而且還有可能為激光核聚變等相關高技術領域的發展提供基礎。

 超強超快激光場激勵的高次諧波現象的發現與不斷深入的研究,不僅為獲得真空紫外區(VUV)與極端紫外區(XUV)波段全相干光源提供了一種有效途徑,也為亞飛秒甚至阿秒級極端超快短波長相干輻射的產生提出了全新的思想與方法,從而有可能突破飛秒的壁壘,為人類創建極端超快的阿秒光子技術,并開創出阿秒光譜學、阿秒物理學乃至阿秒科學技術的全新學科與未來高技術領域。

  超強超快激光場中高次諧波發射研究已取得重大突破,高次諧波已進入"水窗"波段。 當前,產生亞飛秒乃至阿秒數量級極端超快相干輻射的新概念、新方法的研究,正日趨活躍。在短波長X射線波段激光研究方面,現有的X射線激光機制無法實現波長小于2納米的突破,超強超快激光的出現為實現基于內殼層躍遷等新機制的超短波長相干輻射提供了可能性。目前超強超快激光驅動的內殼層光電離超短波長相干輻射新機制研究也已成為本領域的新熱點。

為交叉學科的發展提供創新手段與方法

  超強超快激光技術也為超快化學動力學、微結構材料科學、超快信息光子學與生命科學等前沿交叉學科的發展提供了創新手段與方法。例如,超強超快激光自身及其與物質相互作用產生的飛秒甚至可能是亞飛秒、阿秒數量級的XUV和 X射線波段的極端超快相干光源技術,為人類研究并應用各種超快過程提供了強有力的手段,將使人類在更深的層次上進一步認識微觀世界物質內部的能量轉移和信息傳遞過程,進而可能實現人工控制某些物理、化學和生物過程,促進微結構材料科學、超快化學動力學等交叉學科領域的研究與發展,產生具有重大影響的突破性交叉前沿研究成果。

  近年,在飛秒激光應用于化學反應動力學方面的研究進展格外引人注目。澤韋爾(A.H.Zewail)由于在發展飛秒光譜技術,并研究化學反應過程中壽命極短的過渡態方面的成就,被授予1999年度諾貝爾化學獎。上述進展也為利用超快強激光控制化學反應帶來了新的希望。有選擇地斷裂或形成一些小分子化學鍵已經成功,但是對大分子復雜體系卻一直未能突破。超快強激光技術與近場光學顯微技術相結合,可以對激光與分子的相互作用進行多維控制,這是研究"單分子物理學"或"單分子化學"的有力手段,并有可能用以對生物大分子進行"剪裁"。

  超快強激光在物質微結構的制備與超快動力學行為的研究方面,包括超高時空光譜分辨新探測手段的開拓與應用也取得了顯著進展。如光泵-超快X射線衍射探針測量技術應用于單晶的超快晶格動力學研究已經實現了皮秒-毫埃的超高時空分辨率;微爆炸和微聚合已使得人們有可能用超快強激光得到優于衍射極限、小于光波長的材料處理精度, 在三維高密度數據存儲中帶來了新的應用。最近的實驗也已證實,利用飛秒強激光按微米的間隔,斷續照射含稀土元素釤微粒子的玻璃,加上多重波長重疊記錄技術,記錄密度可提高到1014比特/厘米3等。

今天的內容就到這里,下期再見!

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