超快激光技術(shù)及其應(yīng)用

超快激光是激光中的一種，是脈沖波在fs量級(jí)上的激光。飛秒(fs)是極短的時(shí)間單位，即10-15s ,僅僅是1千萬(wàn)億分之一秒，如果將10fs作為幾何平均來衡量宇宙，其壽命僅不過1min而已。在如此短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的脈沖波，我們可以預(yù)料到一定有著許多有趣的性質(zhì)，內(nèi)為我們的科學(xué)實(shí)驗(yàn)帶來許多幫助。

激光，顧名思義是“激發(fā)出來的光”，產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)是原子的受激輻射，這個(gè)過程是由愛因斯坦最早在1916年在理論上發(fā)現(xiàn)的。受激輻射概念剛提出時(shí)沒有收到應(yīng)有的重視，雖然1924年就有一位德國(guó)的科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)上簡(jiǎn)介地證實(shí)了受激輻射的存在。但真正導(dǎo)致熱門重新發(fā)掘受激輻射概念所隱含的巨大潛力是在二次世界大戰(zhàn)之后，當(dāng)人們企圖將想干滇西波段從長(zhǎng)波擴(kuò)展到微波乃至光波是，發(fā)現(xiàn)只有借助于分子、原子這樣的圍觀體系才能實(shí)現(xiàn)短波長(zhǎng)的相干電磁波放大，愛因斯坦的受激輻射正是實(shí)現(xiàn)這種想干放大的物理機(jī)制。

要產(chǎn)生激光，需要解決兩個(gè)矛盾。首先是受激輻射與受激吸收的矛盾。根據(jù)玻爾茲曼分布，熱平衡的原子體系中總有低能級(jí)上的原子數(shù)多于高能級(jí)上的原子數(shù)，當(dāng)光與體系發(fā)生相互作用時(shí)，由于吸收比受激發(fā)輻射顯著，結(jié)果是將導(dǎo)致光信號(hào)的衰減。因此，產(chǎn)生激光的一個(gè)基本條件就是要實(shí)現(xiàn)體系中粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)。已處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的戒指叫做激活介質(zhì)貨增益介質(zhì)，它具有對(duì)光信號(hào)的放大能力。為使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，需一外界能源以適當(dāng)?shù)姆绞綄?duì)原子體系產(chǎn)生作用(泵浦)，此能源被稱為泵浦源。產(chǎn)生激光所要解決的另外一個(gè)矛盾就是受激輻射與自發(fā)輻射的矛盾。在原子體系中，這兩種過程同時(shí)存在，相互競(jìng)爭(zhēng)。為產(chǎn)生激光，需使受激輻射處于優(yōu)勢(shì)地位。為此，需選擇合適結(jié)構(gòu)的光腔(或足夠長(zhǎng)的激活介質(zhì))，在軸線方向的自發(fā)輻射通過反復(fù)增益獲得較高的光場(chǎng)能量密度，從而得以受激輻射為主的輸出。

激光與普通光源又極大的不同，它具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性等特征。在加工、存儲(chǔ)、醫(yī)療、通信、雷達(dá)、科研、國(guó)防等領(lǐng)域有著極為廣泛的應(yīng)用。而飛秒激光作為一種特殊的激光，在各種性質(zhì)加強(qiáng)后經(jīng)歷了量變到質(zhì)變的過程，有著更為奇特的性質(zhì)。

超快激光與團(tuán)簇、高溫高密度等離子體、自由電子等特殊形態(tài)物質(zhì)的相互作用也已成為新的研究方向，它不僅大大拓寬本學(xué)科領(lǐng)域的縱深發(fā)展，也將為相關(guān)重要高技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展提供新方案與新途徑。

最近，實(shí)驗(yàn)研究已觀察到多光子激發(fā)產(chǎn)生的帶有大量?jī)?nèi)殼層空穴的電子組態(tài)反轉(zhuǎn)的“空心”原子，這將為實(shí)現(xiàn)超短波長(zhǎng)相干輻射開辟全新途徑;超快激光與大尺寸原子團(tuán)簇的相互作用首次成功引發(fā)了臺(tái)式聚變，從而為“臺(tái)式化”聚變新概念指明了前景。此外，超快激光與團(tuán)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(rèn)識(shí)光與物質(zhì)的相互作用。

當(dāng)光強(qiáng)大于(等于)1018瓦/厘米2時(shí)，激光與電子的相互作用進(jìn)入超相對(duì)論性強(qiáng)場(chǎng)范圍。實(shí)驗(yàn)上已首次觀察到：自由電子在真空中被加速到兆電子伏數(shù)量級(jí)的相對(duì)論能量;非線性湯姆孫散射及其所產(chǎn)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(cè)到非彈性光子-光子散射產(chǎn)生正負(fù)電子對(duì)的強(qiáng)場(chǎng)量子電動(dòng)力學(xué)現(xiàn)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(chǎn)生與應(yīng)用，以及真空中亞周期脈寬超強(qiáng)超快激光場(chǎng)對(duì)電子的加速等，也是超快激光與自由電子相互作用研究中的熱點(diǎn)課題。此外，在超快激光與稀薄等離子體相互作用中產(chǎn)生的尾波場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中，也觀察到比傳統(tǒng)的高能粒子加速器的極限加速電場(chǎng)高出三個(gè)數(shù)量級(jí)以上的超高梯度加速場(chǎng)，從而為實(shí)現(xiàn)小型化的高能粒子加速器提出了新方案。

近年來，超快激光與高溫高密度等離子體的相互作用，特別是相對(duì)論效應(yīng)引起的高度非線性新現(xiàn)象、新規(guī)律的研究，也已引起國(guó)際學(xué)術(shù)界的高度重視。雖然目前已觀測(cè)到超強(qiáng)超快激光產(chǎn)生巨大光壓，推動(dòng)臨界密度面向前移動(dòng)，從而形成等離子體通道等新現(xiàn)象，但涉及到1018～1020瓦/厘米數(shù)量級(jí)的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(yīng)、超熱電子的產(chǎn)生、能譜控制與輸運(yùn)等基礎(chǔ)性物理問題還有待于深入研究。顯然，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(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容之一，而且還有可能為激光核聚變等相關(guān)高技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展提供基礎(chǔ)。

超快激光場(chǎng)激勵(lì)的高次諧波現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)與不斷深入的研究，不僅為獲得真空紫外區(qū)(VUV)與極端紫外區(qū)(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(jí)極端超快短波長(zhǎng)相干輻射的產(chǎn)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(chuàng)建極端超快的阿秒光子技術(shù)，并開創(chuàng)出阿秒光譜學(xué)、阿秒物理學(xué)乃至阿秒科學(xué)技術(shù)的全新學(xué)科與未來高技術(shù)領(lǐng)域。

超快激光場(chǎng)中高次諧波發(fā)射研究已取得重大突破，高次諧波已進(jìn)入“水窗”波段。當(dāng)前，產(chǎn)生亞飛秒乃至阿秒數(shù)量級(jí)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(zhǎng)X射線波段激光研究方面，現(xiàn)有的X射線激光機(jī)制無法實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)小于2納米的突破，超快激光的出現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)基于內(nèi)殼層躍遷等新機(jī)制的超短波長(zhǎng)相干輻射提供了可能性。目前超快激光驅(qū)動(dòng)的內(nèi)殼層光電離超短波長(zhǎng)相干輻射新機(jī)制研究也已成為本領(lǐng)域的新熱點(diǎn)。

超快激光技術(shù)為交叉學(xué)科的發(fā)展提供了創(chuàng)新手段與方法。超快激光技術(shù)也為超快化學(xué)動(dòng)力學(xué)、微結(jié)構(gòu)材料科學(xué)、超快信息光子學(xué)與生命科學(xué)等前沿交叉學(xué)科的發(fā)展提供了創(chuàng)新手段與方法。例如，超快激光自身及其與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的飛秒甚至可能是亞飛秒、阿秒數(shù)量級(jí)的XUV和 X射線波段的極端超快相干光源技術(shù)，為人類研究并應(yīng)用各種超快過程提供了強(qiáng)有力的手段，將使人類在更深的層次上進(jìn)一步認(rèn)識(shí)微觀世界物質(zhì)內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)移和信息傳遞過程，進(jìn)而可能實(shí)現(xiàn)人工控制某些物理、化學(xué)和生物過程，促進(jìn)微結(jié)構(gòu)材料科學(xué)、超快化學(xué)動(dòng)力學(xué)等交叉學(xué)科領(lǐng)域的研究與發(fā)展，產(chǎn)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(yīng)用于化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方面的研究進(jìn)展格外引人注目。澤韋爾(A.H.Zewail)由于在發(fā)展飛秒光譜技術(shù)，并研究化學(xué)反應(yīng)過程中壽命極短的過渡態(tài)方面的成就，被授予1999年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。上述進(jìn)展也為利用超快強(qiáng)激光控制化學(xué)反應(yīng)帶來了新的希望。有選擇地?cái)嗔鸦蛐纬梢恍┬》肿踊瘜W(xué)鍵已經(jīng)成功，但是對(duì)大分子復(fù)雜體系卻一直未能突破。超快強(qiáng)激光技術(shù)與近場(chǎng)光學(xué)顯微技術(shù)相結(jié)合，可以對(duì)激光與分子的相互作用進(jìn)行多維控制，這是研究“單分子物理學(xué)”或“單分子化學(xué)”的有力手段，并有可能用以對(duì)生物大分子進(jìn)行“剪裁”。

超快強(qiáng)激光在物質(zhì)微結(jié)構(gòu)的制備與超快動(dòng)力學(xué)行為的研究方面，包括超高時(shí)空光譜分辨新探測(cè)手段的開拓與應(yīng)用也取得了顯著進(jìn)展。如光泵-超快X射線衍射探針測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于單晶的超快晶格動(dòng)力學(xué)研究已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了皮秒-毫埃的超高時(shí)空分辨率;微爆炸和微聚合已使得人們有可能用超快強(qiáng)激光得到優(yōu)于衍射極限、小于光波長(zhǎng)的材料處理精度, 在三維高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中帶來了新的應(yīng)用。最近的實(shí)驗(yàn)也已證實(shí)，利用飛秒強(qiáng)激光按微米的間隔，斷續(xù)照射含稀土元素釤微粒子的玻璃，加上多重波長(zhǎng)重疊記錄技術(shù)，記錄密度可提高到1014比特/厘米3等。

相對(duì)而言，超快激光科學(xué)是一門非常年輕的新學(xué)科，正處在出現(xiàn)重大突破的前夜，其重要作用與潛力遠(yuǎn)不止本文所述。展望未來，中國(guó)科學(xué)家可望在這一現(xiàn)代物理學(xué)乃至現(xiàn)代科學(xué)活躍的前沿領(lǐng)域中，做出重要建樹。這既是挑戰(zhàn)，更是難得的機(jī)遇。

審核編輯 黃宇