超快激光技术及其应用

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超快激光是激光中的一种，是脉冲波在fs量级上的激光。飞秒（fs）是极短的时间单位，即10-15s,仅仅是1千万亿分之一秒，如果将10fs作为几何平均来衡量宇宙，其寿命仅不过1min而已。在如此短的时间内产生的脉冲波，我们可以预料到一定有着许多有趣的性质，内为我们的科学实验带来许多帮助。
激光，顾名思义是“激发出来的光”，产生的物理基础是原子的受激辐射，这个过程是由爱因斯坦最早在1916年在理论上发现的。受激辐射概念刚提出时没有收到应有的重视，虽然1924年就有一位德国的科学家在实验上简介地证实了受激辐射的存在。但真正导致热门重新发掘受激辐射概念所隐含的巨大潜力是在二次世界大战之后，当人们企图将想干滇西波段从长波扩展到微波乃至光波是，发现只有借助于分子、原子这样的围观体系才能实现短波长的相干电磁波放大，爱因斯坦的受激辐射正是实现这种想干放大的物理机制。
要产生激光，需要解决两个矛盾。首先是受激辐射与受激吸收的矛盾。根据玻尔兹曼分布，热平衡的原子体系中总有低能级上的原子数多于高能级上的原子数，当光与体系发生相互作用时，由于吸收比受激发辐射显著，结果是将导致光信号的衰减。因此，产生激光的一个基本条件就是要实现体系中粒子数的反转。已处于粒子数反转的戒指叫做激活介质货增益介质，它具有对光信号的放大能力。为使粒子数反转，需一外界能源以适当的方式对原子体系产生作用（泵浦），此能源被称为泵浦源。产生激光所要解决的另外一个矛盾就是受激辐射与自发辐射的矛盾。在原子体系中，这两种过程同时存在，相互竞争。为产生激光，需使受激辐射处于优势地位。为此，需选择合适结构的光腔（或足够长的激活介质），在轴线方向的自发辐射通过反复增益获得较高的光场能量密度，从而得以受激辐射为主的输出。
激光与普通光源又极大的不同，它具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性等特征。在加工、存储、医疗、通信、雷达、科研、国防等领域有着极为广泛的应用。而飞秒激光作为一种特殊的激光，在各种性质加强后经历了量变到质变的过程，有着更为奇特的性质。
飞秒激光不是一直发射的，而是每个一段时间T发射的一个包络。其脉宽极短，每个脉宽持续的时间都在飞秒量级。此外，飞秒激光不再是单色的了，而是具有不同颜色成分。这与传统意义上的激光已经不同了。
超快激光具有极高的功率和功率密度，目前一个激光系统甚至可产生高达1015瓦的峰值功率，而全世界电网的平均功率只不过1012瓦数量级。如此高的功率下可以创造出许多极端的实验环境，如超强光场：1021W/cm，超强电场：>1011V/cm，超强磁场：>109G，超高加速度：1019g，超高温：>109K，超高压:>108Bar。这为我们研究极端条件下的物理现象提供可能。近年来新型小型化超快激光技术的迅猛发展，为人类提供了全新的实验手段与极端的物理条件。这种在实验室中创造的极端物理条件，目前还只有在核爆中心、恒星内部、或是黑洞边缘才能找到。在当今超快激光技术已经提供并将由于其进一步发展而能提供的越来越强并越来越快的光场条件下，激光与各种形态物质之间的相互作用，将进入到前所未有的高度非线性与相对论性起主导作用的强场超快范围，并将进一步把光与物质的相互作用研究深入到更深的物质层次，甚至光与真空的相互作用，由此开创了超快激光这一全新的现代科学技术前沿领域。
近十几年来，由于啁啾脉冲放大(chirpedpulseamplification,简称CPA)技术的提出和应用，宽带激光晶体材料（如掺钛蓝宝石）的出现，以及克尔透镜锁模技术的发明，使超快激光技术得到迅猛发展。小型化飞秒太瓦（1012瓦）甚至更高数量级的超快激光系统已在各国实验室内建成并发挥重要作用。最近，更短脉冲和更高功率的激光输出，如直接由激光振荡器产生的短于5飞秒的激光脉冲，小型化飞秒100太瓦级超快激光系统，以及CPA技术应用到传统大型钕玻璃激光装置上获得1拍瓦（1015瓦）级激光输出已有报道，激光功率密度达到1019～1020瓦/厘米2的超快激光与物质相互作用研究也已开始进行。
传统的激光放大采用直接的行波放大，而对超短激光脉冲来说，随着能量的提高，其峰值功率将很快增加，并出现各种非线性效应及增益饱和效应，从而限制了能量的进一步放大。
CPA技术的原理是，在维持光谱宽度不变的情况下通过色散元件将脉冲展宽好几个数量级，形成所谓的啁啾脉冲。这样，在放大过程中，即使激光脉冲的能量增加很快，其峰值功率也可以维持在较低水平，从而避免出现非线性效应及增益饱和效应，保证激光脉冲能量的稳定增长。当能量达到饱和放大可获得的能量之后，借助与脉冲展宽时色散相反的元件将脉冲压缩到接近原来的宽度，即可使峰值功率大大提高。
为了突破CPA技术的一些局限性，目前国际上正在积极探索发展新一代超强超快激光的新原理与新方法，如啁啾脉冲光学参量放大（OPCPA）原理，目标是创造更强更快的强场超快极端物理条件，特别是获得大于（等于）1021瓦/厘米2的可聚焦激光光强。OPCPA充分发挥了啁啾脉冲放大与光学参量放大各自的优点，是国际上近年来提出的发展超强超快激光的全新技术途径。
OPCPA原理目前还处于中等功率层次上的预研阶段，但却蕴涵着强大的生命力。此外，超快激光光束质量的优化、时空轮廓的整形与控制，周期脉宽小于10飞秒的超短激光脉冲的产生、有效放大与性能优化，也是今后持续创新发展的主要方向。
超快激光技术在推动基础科学和高新技术发展上有着极为重大的作用。超快激光不仅具有重大的前沿学科意义，将创造出全新的实验室尺度，即所谓台式的综合性极端条件的科学技术，从而直接推动激光科学与现代光学、原子分子物理、等离子体物理、高能物理与核物理、凝聚态物理、天体物理、理论物理以及非线性科学等一大批基础学科的发展，而且在当代一些重要高技术领域的创新发展中，如突破飞秒壁垒的亚飞秒乃至阿秒（10-18秒）科学新原理、激光核聚变快点火新概念、激光引发的台式化聚变中子源新方案、小型化超高梯度粒子加速器新机制、台式超短波长超快相干辐射新途径等方面，也有着不可替代的推动作用。
目前，在远比传统装置小型化的台式激光系统上已经产生了高重复频率的超短脉冲（通常是10－13秒甚至更短）太瓦甚至更高数量级的激光输出。激光经聚焦达到的光强在过去的十年里已提高了五六个数量级，达到了1019～1020瓦/厘米2。不久，将会达到创记录的1021瓦/厘米2，从而创造出实验室尺度的极端物理条件。102瓦/厘米2的光强，产生的局域电场将高达1012伏/厘米，相当于氢原子第一玻尔轨道处库仑场强的170倍；相应的磁场将达到10特的超强范围；相应的能量密度已在3×10焦/厘米以上，与温度为10千电子伏的黑体的能量密度相当；同时，将产生巨大的光压，接近10帕。在如此高的激光场中，电子的振荡动能将高于10兆电子伏（对于波长为1.06微米激光），大大超过电子自身静止质量(0.5兆电子伏)，而电子的加速度也将达到10米/秒，即10g(重力加速度)的数量级，高度非线性与相对论效应已成为主导。
本领域的早期研究已经表明，强场激光与原子、分子的相互作用导致隧道电离、势垒抑制电离、高阶奇次谐波、稳定化及分子的相位控制与库仑爆炸等相关新现象。应用于非线性问题的常规微扰方法已被非微扰理论所取代。目前，超快激光与原子的相互作用已进入到相对论效应起主导作用的新阶段，以至必须采用狄拉克方程才能正确处理相互作用的动力学行为。另一方面，现今获得的激光脉宽已小于10飞秒，最短达4飞秒，仅包含了1.5个光周期（对波长为800纳米的激光）。严格说，此时的光脉冲已不成为“光波”，失去了波动现象所特有的周期性特征。传统的适用于较长脉宽光与物质相互作用的理论已不再适用，从而开创出极端非线性相互作用的新理论。周期乃至亚周期量级脉冲的超强超快激光与各种形态物质的相互作用也将会导致一系列全新的物理现象与规律。寻求这些新现象、新规律，建立相关的新概念、新理论成为迫在眉睫的研究任务，是国际上超强超快激光科学研究领域争夺的重点。
超快激光与团簇、高温高密度等离子体、自由电子等特殊形态物质的相互作用也已成为新的研究方向，它不仅大大拓宽本学科领域的纵深发展，也将为相关重要高技术领域的创新发展提供新方案与新途径。
最近，实验研究已观察到多光子激发产生的带有大量内壳层空穴的电子组态反转的“空心”原子，这将为实现超短波长相干辐射开辟全新途径；超快激光与大尺寸原子团簇的相互作用首次成功引发了台式聚变，从而为“台式化”聚变新概念指明了前景。此外，超快激光与团簇的相互作用研究，有可能作为一种桥梁，帮助人们更加完整地认识光与物质的相互作用。
当光强大于（等于）1018瓦/厘米2时，激光与电子的相互作用进入超相对论性强场范围。实验上已首次观察到：自由电子在真空中被加速到兆电子伏数量级的相对论能量；非线性汤姆孙散射及其所产生的约300飞秒、0.05纳米的超快硬X射线脉冲；多光子非线性康普顿散射。尤其引人注目的是首次观测到非弹性光子－光子散射产生正负电子对的强场量子电动力学现象。
基于非线性汤姆孙散射与康普顿散射的X光、γ光源的产生与应用，以及真空中亚周期脉宽超强超快激光场对电子的加速等，也是超快激光与自由电子相互作用研究中的热点课题。此外，在超快激光与稀薄等离子体相互作用中产生的尾波场实验中，也观察到比传统的高能粒子加速器的极限加速电场高出三个数量级以上的超高梯度加速场，从而为实现小型化的高能粒子加速器提出了新方案。
近年来，超快激光与高温高密度等离子体的相互作用，特别是相对论效应引起的高度非线性新现象、新规律的研究，也已引起国际学术界的高度重视。虽然目前已观测到超强超快激光产生巨大光压，推动临界密度面向前移动，从而形成等离子体通道等新现象，但涉及到10～10瓦/厘米数量级的超快激光与高温高密度等离子体的相互作用，如“等离子体中凿孔”效应、超热电子的产生、能谱控制与输运等基础性物理问题还有待于深入研究。显然，超快激光与高温高密度等离子体相互作用的研究不仅是本领域的重要研究内容之一，而且还有可能为激光核聚变等相关高技术领域的发展提供基础。
超快激光场激励的高次谐波现象的发现与不断深入的研究，不仅为获得真空紫外区(VUV)与极端紫外区(XUV）波段全相干光源提供了一种有效途径，也为亚飞秒甚至阿秒级极端超快短波长相干辐射的产生提出了全新的思想与方法，从而有可能突破飞秒的壁垒，为人类创建极端超快的阿秒光子技术，并开创出阿秒光谱学、阿秒物理学乃至阿秒科学技术的全新学科与未来高技术领域。
超快激光场中高次谐波发射研究已取得重大突破，高次谐波已进入“水窗”波段。当前，产生亚飞秒乃至阿秒数量级极端超快相干辐射的新概念、新方法的研究，正日趋活跃。在短波长X射线波段激光研究方面，现有的X射线激光机制无法实现波长小于2纳米的突破，超快激光的出现为实现基于内壳层跃迁等新机制的超短波长相干辐射提供了可能性。目前超快激光驱动的内壳层光电离超短波长相干辐射新机制研究也已成为本领域的新热点。
超快激光技术为交叉学科的发展提供了创新手段与方法。超快激光技术也为超快化学动力学、微结构材料科学、超快信息光子学与生命科学等前沿交叉学科的发展提供了创新手段与方法。例如，超快激光自身及其与物质相互作用产生的飞秒甚至可能是亚飞秒、阿秒数量级的XUV和X射线波段的极端超快相干光源技术，为人类研究并应用各种超快过程提供了强有力的手段，将使人类在更深的层次上进一步认识微观世界物质内部的能量转移和信息传递过程，进而可能实现人工控制某些物理、化学和生物过程，促进微结构材料科学、超快化学动力学等交叉学科领域的研究与发展，产生具有重大影响的突破性交叉前沿研究成果。
近年，在飞秒激光应用于化学反应动力学方面的研究进展格外引人注目。泽韦尔（A.H.Zewail）由于在发展飞秒光谱技术，并研究化学反应过程中寿命极短的过渡态方面的成就，被授予1999年度诺贝尔化学奖。上述进展也为利用超快强激光控制化学反应带来了新的希望。有选择地断裂或形成一些小分子化学键已经成功，但是对大分子复杂体系却一直未能突破。超快强激光技术与近场光学显微技术相结合，可以对激光与分子的相互作用进行多维控制，这是研究“单分子物理学”或“单分子化学”的有力手段，并有可能用以对生物大分子进行“剪裁”。
超快强激光在物质微结构的制备与超快动力学行为的研究方面，包括超高时空光谱分辨新探测手段的开拓与应用也取得了显著进展。如光泵－超快X射线衍射探针测量技术应用于单晶的超快晶格动力学研究已经实现了皮秒－毫埃的超高时空分辨率；微爆炸和微聚合已使得人们有可能用超快强激光得到优于衍射极限、小于光波长的材料处理精度,在三维高密度数据存储中带来了新的应用。最近的实验也已证实，利用飞秒强激光按微米的间隔，断续照射含稀土元素钐微粒子的玻璃，加上多重波长重叠记录技术，记录密度可提高到1014比特/厘米3等。
相对而言，超快激光科学是一门非常年轻的新学科，正处在出现重大突破的前夜，其重要作用与潜力远不止本文所述。展望21世纪，中国科学家可望在这一现代物理学乃至现代科学活跃的前沿领域中，做出重要建树。这既是挑战，更是难得的机遇。