超强激光的产生及应用

超强激光的产生及应用

·引言

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10瓦的峰值功率，而全世界电网的平均功率只不过10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

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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。

·超强激光的特点

·脉冲短 脉冲周期可达10s，是人类目前在实验室条件下所能获得最短脉冲的技术手段。 ·峰值功率高 峰值功率可达10W，比全世界发电的总功率还大。 ·聚焦光斑小 精确的靶向聚焦，聚焦光斑可达μm量级。

·聚焦功率密度大 可达10～10W/cm,产生电磁场的强度比原子核对其周围电子的作用力还要高数倍。

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·超强激光的产生

自激光问世以来,提高可聚焦光强始终是激光技术发展所追求的目标之一。在过去数10 年中,受激光聚变研究牵引,纳秒固体激光技术取得了举世瞩目的进展,国际上已经建成和正在建造多台大型激光装置,输出功率多在1012 ～1014 W范围内,聚焦功率密度覆盖了1014 ～1016 W/ cm2 。20 世纪80 年代中期,啁啾脉冲放大技术(CPA)被成功地用来产生超短超强激光脉冲,开创了超强激光技术发展的新纪元。

高峰值功率输出一直是激光技术所追求的目标之一。早期提高输出功率主要靠缩短脉冲

宽度,20世纪60 年代调Q 技术和锁模技术的发展把激光脉冲宽度缩短到纳秒和皮秒,峰值功率提高了六个数量级,激光器光学介质中的功率密度达到GW/ cm2水平。在这样高的功率密度下,光学材料非线性效应引起自聚焦和成丝,造成材料破坏和降低光束质量。在其后长达十多年的时间内提高装置输出功率的技术手段没有重大突破,主要是靠增加通光口径。直到20 世纪80 年代中期,CPA 技术演示成功并被广泛采用。其核心思想是首先将小能量窄脉冲展宽成啁啾脉冲(可以展宽4～5 个数量级) ,再进行放大,然后压缩回短脉冲,如图所示。这样,在长脉冲情况下放大,既可以有高的激光通量以获得高的能量抽取效率,又保持足够低的功率密度从而避免非线性效应,巧妙地把激光峰值功率提高了数个量级。

图1 CPA 技术原理图和LLNL 拍瓦激光装置

· “极光2号”激光装置

2001年开始运行的“极光2号”，是一套20TW、10Hz的激光系统，是进行高能量密度物理实验研究的重要工具。目前位于中国科学院物理研究所光物理实验室强激光高能量密度物理研究组。

波长：800nm；单脉冲能量：5J；对比度：>109 脉冲宽度：30fs；峰值功率：100TW；重复频率：0.1Hz

·超热电子的产生、输运和能量沉积

在超强激光和等离子体相互作用中，会产生能量很高的电子，即超热电子。目前超热电子的产生和传输是激光高能量密度物理的重要问题之一，也是“快点火”惯性约束核聚变成功的关键。在相互作用中产生的超热电子一部分从靶前逃逸，一部分向高密度等离子体和靶内输运。超热电子可以激发很宽范围的电磁辐射（高能x射线-太赫兹），也会产生极强的静电场，该场可以把离子加速到很高能量。下图是对这些物理过程的形象描述。

·激光驱动的超快硬X射线源

传统的同步辐射源被证实是具有重大科学和应用价值的大装置。但由于真空中加速极限等限制，使这些装置造价昂贵、体积庞大，不能提供超短的时间分辨，其应用范围受到较大的制约；医用的射线管也由于电子产生和射线激发过程的分离使其亮度和尺寸不利于成像中分辨率的提高。超强激光驱动的硬射线源由于电子产生和射线的激发同步同区域进行，所产生的辐射光源具有极小的尺寸、超短的时间尺度、超高的亮度等优势，使这种新型辐射源在实际应用中具有极大的灵活性和经济性。另外，其超短的时间尺度和超高的空间分辨有效结合，将为许多领域的创新研究提供前所未有的诊断条件。

但现有的激光射线源都表现出转换效率低、信噪比差等缺点（见下图），同时由于电子在靶中反复振荡或长程输运，产生的射线辐射的时间宽度都在皮秒量级以上，使这些激光射线源的应用受到极大限制。因此，如何有效控制和优化激光硬射线的产生效率、信噪比和脉冲宽度意义重大。

采用经过倍频的高对比度激光脉冲与固体靶相互作用时，由于预等离子体的密度标长很小，产生的超热电子的温度和激发的射线源的尺寸都将远小于常规对比度激光脉冲与固体靶作用时的情况。