物理英才||别以为飞秒激光器离你很远

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物理英才||别以为飞秒激光器离你很远

中国科学院大学 2018-09-11

“英才计划”是中国科协、教育部于2013年开展的中学生科技创新后备人才培养计划，主要任务是选拔一批品学兼优、学有余力，具有创新潜质的中学生走进大学，在自然科学基础学科领域的著名科学家指导下参加科学研究项目、科技社团活动、学术研讨和科研实践等活动。2018年3月，中国科学院大学与中国科协携手，在国科大官方微信公众号开设“物理英才”频道，将以文字、音视频等多种形式展示“物理英才计划”实施情况，传播科学思想和科学知识。

栏目简介

曾几何时，你是否也怀揣着“我要当一名科学家”的梦想？是否也想为科技的进步贡献力量？是否也想在科技领域留下自己的名字？为了满足大家对科学研究的好奇心，中国科学院大学物理英才频道将带你陆续走进物理领域各类前沿重点实验室，在科研一线与先进的仪器设备零距离接触！

本期看点

本期我们将要走进中国科学院大学物理科学学院，中国科学院物理研究所的光物理重点实验室，带你一睹20太瓦超强超短激光器的风采。

简介

光物理重点实验室，是隶属于中国科学院物理研究所的一个中科院重点实验室。实验室为从事光物理基础研究及应用基础研究的实体，主要研究方向是光与物质相互作用的基础研究，同时也开展新材料在光学，尤其是在光子学领域的应用基础研究，即一方面重视光物理本身的研究，另一方面将现代光学的方法和技术引入凝聚态物理和材料科学中去，开拓几种新材料在高技术产业中的可能应用。

光物理重点实验室

接下来，跟着镜头进入光物理重点实验室来揭开20太瓦超强超短激光器的面纱吧~~

激光器简介

说到光物理，相信大家的脑海中第一个想起的就是上个世纪最伟大的发明之一——激光器。确实，我们的生产生活早已离不开各种各样的激光器了，小到激光打印机，大到威力无穷的激光武器。而对于光物理的实验室，激光器更是必不可少。毕竟激光的强度高、准直性好、单色性好和相干性好这四个优点太惹人喜欢了，这也决定了它不平凡的地位。而在各种各样的激光器中，有一款激光器则完全可以称作是激光器中的王中王，即超强超短激光器（或飞秒激光器）。

激光武器（图片来源于网络）

超强超短激光器简介

超强超短激光器中的“超强”指的是激光器的功率很高，一般能达到太瓦级，也就是万亿瓦。“超短”则是指激光器的脉冲持续的时间很短，我们知道激光器发出的光束不是连续的，而是一段一段的脉冲，而超强超短激光器的脉冲时间可以达到几十飞秒，一飞秒等于10^-15秒，即一千万亿分之一秒。什么概念？如果一飞秒跟一秒钟相比的话，就相当于一分钟跟目前宇宙年龄（138亿年）相比。

例如我们今天将要介绍的20太瓦钛宝石飞秒激光器，它是将0.6J的激光能量集中在30飞秒的时间尺度内，因此它的功率可以达到20太瓦，这个功率相当于目前全球(平均）发电功率的2倍。

超强超短激光器

超强超短激光器原理

一般的超强超短激光器分为四个组成部分：振荡器，展宽器，放大器和压缩器。振荡器主要是由共振腔内和腔内激发介质组成，光辐射在共振腔内沿轴线方向往复反射传播，多次通过物质，光辐射被放大许多倍，形成一束强度大、方向集中的光束“激光”。当然，从振荡器出来的激光功率是远远不够的，因此我们还需要对其进行放大，然而，由于我们所需要的激光功率太大，如果直接对激光进行放大会导致工作物质损坏，尤其是放大器，这样不仅会限制放大功率还会导致脉冲波形形变。为了解决这个问题，我们现在一般会采用啁啾脉冲放大（CPA）技术：激光从振荡器出来后，先经过展宽器，展宽器会在时间域上将原始脉冲展宽几个数量级，再经过放大器对展宽后的激光脉冲进行放大，最后再经过压缩器，将脉冲宽度压缩到原始的宽度，最终获得几十飞秒的激光脉冲。

飞秒激光器原理图（中国科学院物理研究所光物理重点实验室提供）

超短超强激光器应用

搞清了飞秒激光器的原理，我们再来讨论它的应用。我们知道强激光可以用来创造超强的电场、磁场、压力等一系列极端的物理条件，这些极端条件则能产生很多不可思议的物理现象。例如，强激光与气体相互作用会形成等离子体，激光打到固体靶上会产生太赫兹辐射。另外，强激光和某些物质相互作用后，还可以产生类似于天体现象的极端物理环境，这可以让我们有机会在光学实验室就可以探索天体物理问题。总之，这种飞秒超强激光器的出现，为我们研究各种极端条件物理问题提供了很重要的手段。

激光加速尾波场电子加速效果图当超强超短激光脉冲与气体相互作用的时候，激光脉冲就可以将气体离化成等离子体，激光脉冲的前沿可以将等离子体排开，形成空泡，当电子与等离子体速度匹配的时候，电子就可以被捕获，并且被加速，以此获得高能电子。飞秒激光在工业领域甚至日常生活中也有着广泛的应用。例如在工业领域，由于飞秒激光可以将其能量全部、快速、准确地集中在限定的作用区域，实现对玻璃、陶瓷、半导体、塑料、聚合物、树脂等材料的微纳尺寸加工，具有其它激光加工无法比拟的优势，因此飞秒激光微加工是当今世界激光、光电行业中极为引人注目的前沿研究方向，它将在超高速光通讯、强场科学、纳米科学、生物医学等领域具有广泛的应用和潜在的市场前景。
还有一个大家耳熟能详的例子就是利用飞秒激光进行视力矫正手术，利用飞秒激光作为超精密的外科手术刀，其最大的优势是精确度高、引起并发症的概率小，其平均波动在：10～15um，是板层刀精确度的3倍，而实际发生角膜瓣并发症的概率更是低数万倍。因此，用飞秒激光来制作角膜瓣，可以大大提高准分子激光治疗近视的手术安全性，尤其对角膜偏薄、角膜曲率变异大、高度近视的病人来说是一大福音。

往期回顾

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