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超快激光技术及其应用进展

激光作为20世纪人类最重要的科技发明之一,经过40年的发展,直接推动了一批新兴学科与高新技术的发展,如非线性光学、激光光谱学、强场物理、光通信、光计算、光信息存储、激光化学、激光医学、激光生物学、激光核聚变、激光分离同位素、激光全息术、激光加工等等。同时,激光技术也已经走进了人们的日常生活,如随处可见的CD唱机、VCD影碟机、超市收银机的条形码扫描仪、激光打印机等,无不采用先进的激光技术。激光的发展开拓了激光技术的应用,激光技术的应用又推动了激光科学技术的进一步发展。
  激光科技的最新前沿之一是超强超快激光。超强即超高的功率和功率密度(指单位面积上的功率),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;超快即极短的时间尺度,目前激光脉冲最短不过几个飞秒(10-15秒),光在1飞秒内仅仅传播0.3微米。
  近年来新型小型化超强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。在当今超强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,由此开创了超强超快激光这一全新的现代科学技术前沿领域。
  超强超快激光物理与技术
  输出功率大于1太瓦,脉宽 小于1皮秒,可聚焦激光功率密度大于1017瓦/厘米2的小型化超强超快激光的发展研究,是超强超快激光研究广泛深入开展的基础和推动力。
  近十几年来,由于啁啾脉冲放大(chirped pulse amplification, 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,使超强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强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太瓦级超强超快激光系统,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的超强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,超强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。
  推动基础学科和高技术领域的发展
  超强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。1021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105特的超强范围;相应的能量密度已在3×1010焦/厘米3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1017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1022米/秒2,即1021g(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,超强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。
  超强超快激光与团簇、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;超强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,超强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,也是超强超快激光与自由电子相互作用研究中的热点课题。此外,在超强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,超强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1018~1020瓦/厘米2数量级的超强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,超强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。
  超强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。
  超强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,超强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。目前超强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。
  为交叉学科的发展提供创新手段与方法
  超强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,超强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。
  中国科学家取得的重要进展
  中科院上海光机所从1980年代中期起,在国家自然科学基金重大项目、中国科学院重大项目等支持下,在国内率先开展了强场激光条件下的激光与物质相互作用研究,包括在电离阈值以上原子的多光子电离,强场诱导原子的自电离和其他重要的强场量子现象,以及超强超快激光脉冲在等离子体中的传输、频率上转换、高次谐波辐射及等离子体电子加速器等方面的系统研究,受到国际同行的高度评价。
  1990年代,中科院上海光机所、西安光机所、物理所在"八五"攀登计划项目、"九五"攀登计划预选项目和 "九五"中国科学院重大基础研究项目等的支持下,不仅在超强超快激光技术的研究,而且在超强超快激光与物质的相互作用和在交叉学科的前沿基础研究等方面也取得重要进展。例如成功建成了具有国际一流水平的小型化飞秒、5太瓦级超强超快激光实验装置;在超强超快激光驱动的高次谐波辐射,超强超快激光与原子、分子、团簇的相互作用动力学行为,超强超快激光与单电子的相互作用,超强超快激光与高温高密度等离子体的相互作用以及多类超快过程等的研究方面也都取得重要成果,受到国际同行关注。
  1999年7月在瑞士召开的国际超快光学会议上,国际著名的强场激光物理学家巴蒂(C. Barty)在开幕式上作了题为"全世界高强度激光的挑战、前景与展望(High Intensity Lasers Around the World: Challenges, Prospects, Perspectives)"的大会主题报告,当他评述当前全世界正在运行的小型化台式超强超快激光装置时,特别列举了中科院上海光机所的5.4太瓦、46飞秒级小型化超强超快激光装置,当场展示该装置的多张图片。表明中国在国际超强超快激光领域已占有一席之地。
  上海光机所强光光学开放实验室近年来牵头并与国内一流科研机构及高等院校进行了成功的合作研究,该实验室在超强超快激光领域已逐渐成为我国基础研究以及高技术与交叉学科领域中的应用基础研究基地,国际交流与合作研究基地,以及培养与吸引青年科技人才的基地。1999年该实验室牵头并主持申请的国家"973"基础科学前沿项目"超强超短激光科学中若干重要前沿问题",经严格评审,成功立项,是当年"973"项目中"基础科学前沿领域"的首批入选项目。
  为开拓发展OPCPA新原理,上海光机所强光光学开放实验室利用自行发展的小型化高功率钕玻璃强激光系统结合国内已有的非线性晶体的传统优势与基础,已部署进行10太瓦级OPCPA新原理的实验验证,并探索建成基于OPCPA原理的小型化10太瓦(即"13号")级和更高数量级超强超快激光装置的全新科学技术途径。目前在OPCPA新原理验证的实验与理论研究方面及系列关键技术的攻关上,取得了重要进展。这些工作不仅为基于OPCPA的小型化10太瓦级超强超快激光装置的顺利建成,而且也为开拓一条能突破原有台式CPA技术无法跨越1021瓦/厘米2光场条件屏障的新途经,从而在短时间内直接促使我国超强超快激光走向世界的最前列奠定了扎实基础。
  上海光机所强光光学开放实验室成功建立了当前我国最为先进并达到国际一流水平的15太瓦、35飞秒级小型化超强超快激光装置。该激光系统具有优良的光束质量,具备了提供1018~1019瓦/厘米2的超高激光功率密度的强场超快极端条件的能力,是进行相对论性强场与物质相互作用研究不可缺少的实验工具。
  近期,上海光机所“神光”驱动器升级装置高能拍瓦激光系统,应用国产最大口径介质膜压缩光栅(1025mm×350mm),于2016年7月完成了全口径脉冲压缩器的调试,分别实现了1035焦耳(8皮秒)和970焦耳(1.7皮秒)千焦耳级皮秒高能短脉冲输出。这一结果标志着我国高能拍瓦激光系统输出能力已跨入千焦耳水平。
  此前,“神光”驱动器升级装置高能拍瓦激光系统已于2014年1月应用中等口径国产介质膜压缩光栅(430mm×350mm)实现了脉冲能量为350J/10ps,靶面聚焦光强1019W/cm2(50%集中于25μm圆内),信噪比脉冲前80ps处108。随后,在当年成功开展了两轮包括气体靶、平面靶和锥形靶等相关物理实验。2015年9月为了开展我国首次“快点火”集成物理实验打靶工作,“神光”驱动器升级装置八路纳秒系统与高能拍瓦激光系统完成了首次组合实验。
  上海光机所强场激光物理国家实验室利用飞秒拍瓦激光装置和高压气体靶相互作用,产生大量高能电子,高能电子和高Z材料靶相互作用,由韧制辐射机制产生高强度伽马射线,伽马射线再和高Z原子核作用产生正负电子对。正电子谱仪经过精心设计,成功解决了伽马射线带来的噪声问题,利用正负电子在磁场中的不同偏转特性,实验中在单发条件下就成功观测到了正电子。这是我国首次报道利用激光产生反物质。[PHYSICS OF PLASMAS 23, 033109 (2016)]
  中科院西安光机所首次实现了掺铬氟化锶锂激光器的双波长运转,得到45飞秒的激光短脉冲;在同步泵浦多波长飞秒激光器研究中获双波长运转参数的优良指标,其三波长飞秒激光运转属首创成果等。在超快X射线探测原理与技术方面,也获得了多项具有国际先进水平的成果。如研制成功微通道板(MCP)选通50皮秒分辨能力的X射线分幅相机,以及0.88皮秒分辨能力的X射线条纹相机。
  天津大学开展飞秒激光的研究工作近20年,积累了丰富的理论和实验经验。在飞秒固体激光研究中,首次观察到自锁模自调Q、飞秒脉冲分裂、脉冲碰撞、脉冲序列周期性调制,以及飞秒太瓦激光脉冲在液体传输中的平台超连续光谱等多种新现象。
  中科院物理所进行了外静电场和磁场存在条件下高次谐波发射的半经典理论研究,超强超快激光与原子、分子相互作用的全量子非微扰理论研究,以及超强超快激光与固体相互作用中的高能粒子发射研究并取得重要进展。
  复旦大学物理系在强激光场非线性康普顿效应与电子加速的研究中,获得重要进展,尤其是发现了当激光强度超过某一阈值,电子与光束的相互作用将表现出全新的特性,电子有可能被激光束俘获并被猛烈加速到吉电子伏以上。这一成果得到国内外同行的重视与好评。
  在微结构材料科学的交叉前沿领域,中科院上海光机所在近年承担的自然科学基金重点项目"高分辨三维成像技术的研究及其应用"中,已经成功地研制了纵向分辨至纳米的扫描共焦显微镜,并已在光存储材料的荧光寿命成像研究方面做出了较好的工作。北京大学物理系也在超快光谱技术及其应用研究中取得国际水平的研究成果,同时结合人工微结构和介观物理国家重点实验室的优势,已经在微结构制备及其性能研究上获得了有意义的结果。
  在超快化学动力学研究方面,中科院化学所和大连化物所在利用飞秒激光技术进行超快化学过程的观察与控制方面取得不少成果。在其他飞秒超快过程研究方面,中山大学等单位在稀土离子超快速光谱、半导体超快速光学性质、高速光电子技术等研究中也获得了引起国际同行瞩目的重要成果。
  相对而言,超强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。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。
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