美國(guó)造出300萬億瓦迄今強(qiáng)度最高激光束

高能激光放大器

　　北京時(shí)間2月21日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，美國(guó)的科學(xué)家近日稱，他們最近在實(shí)驗(yàn)室成功地制造出迄今為止強(qiáng)度最高的激光束，該激光束每平方厘米的流量為10億兆瓦特，功率為300萬億瓦，是美國(guó)全國(guó)電網(wǎng)發(fā)電量的約300倍，其強(qiáng)度相當(dāng)于將地球接受到的全部太陽(yáng)光集中照射在一粒沙子上。
　　美國(guó)密歇根州立大學(xué)物理學(xué)和工程學(xué)教授卡爾克魯舍尼克說：“這是我們能發(fā)出的瞬間強(qiáng)度，我們相信宇宙間再?zèng)]有比這強(qiáng)度更高的光了，這個(gè)激光束絕對(duì)創(chuàng)下了強(qiáng)度最高的記錄。”這個(gè)脈沖激光束可持續(xù)30千萬億分之一秒，這種高強(qiáng)度將有助于科學(xué)家們研發(fā)更好的質(zhì)子和電子光束，以進(jìn)行癌癥的輻射治療。這個(gè)創(chuàng)記錄的激光束流量為每平方厘米10億兆瓦特，功率為300萬億瓦，這是整個(gè)美國(guó)電網(wǎng)發(fā)電量的300倍，當(dāng)它的能量全部集中在直徑為人發(fā)絲直徑百分之一的1.3微米斑點(diǎn)上就產(chǎn)生了如此巨大的強(qiáng)度。
　　研究人員維克多-雅諾弗斯基是麻省理工學(xué)院電機(jī)工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系的一名科學(xué)家，在過去的六年中一直致力于建造超高能系統(tǒng)，他表示，這個(gè)強(qiáng)度為迄今為止全球所能產(chǎn)生的最大數(shù)量級(jí)強(qiáng)度。這個(gè)激光能以每10秒的頻率發(fā)出這種高強(qiáng)度光束，相比之下，其它功率的激光都需要1小時(shí)來進(jìn)行再充電。為了獲得這種激光束，研究小組為原本以50太瓦的功率運(yùn)行的高能激光系統(tǒng)增配了一個(gè)放大器。高能激光系統(tǒng)是一種鈦-剛玉激光，占據(jù)了麻省理工學(xué)院超速光學(xué)科學(xué)中心數(shù)個(gè)房間，它使用的是啁啾脈沖放大技術(shù)。輸入高能激光系統(tǒng)的光像一個(gè)乒乓球一樣從一連串鏡子和其它光學(xué)元件中彈跳而出，且一路上被延長(zhǎng)、加電壓、壓擠和聚焦。
　　這一脈沖放大技術(shù)是美國(guó)麻省理工學(xué)院工程學(xué)名譽(yù)教授杰勒德-莫洛在上世紀(jì)80年代研發(fā)的，它依靠衍射光柵將持續(xù)時(shí)間較短的激光脈沖延長(zhǎng)，使其的持續(xù)時(shí)間能延長(zhǎng)5萬倍。于是，這種被延長(zhǎng)的脈沖光會(huì)在不影響其通道上的光學(xué)裝置的前提下被放大，從而具有更高的能量。當(dāng)光束在通過鈦-剛玉晶體后被放大到具備高能時(shí)，一個(gè)光學(xué)壓縮機(jī)會(huì)反轉(zhuǎn)延長(zhǎng)和壓擠這個(gè)激光脈沖，直到其近乎恢復(fù)原來的時(shí)間長(zhǎng)。然后，這個(gè)激光束就被聚焦成為了超高強(qiáng)度的光束。除醫(yī)學(xué)應(yīng)用外，類似這種高強(qiáng)度激光束可以幫助研究人員開辟科學(xué)的新前沿。在具備極高強(qiáng)度時(shí)，激光束將有可能“使真空沸騰”，在理論上科學(xué)家們認(rèn)為，如此便可以僅通過向真空區(qū)中聚焦光就可以實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的產(chǎn)生。一些科學(xué)家們還認(rèn)為可以將其應(yīng)用于慣性約束聚變研究，即使小質(zhì)量原子結(jié)合形成大質(zhì)量原子并釋放能量。
　　維克多-雅諾弗斯基說，“如果想獲得越來越強(qiáng)烈的激光，也就是說產(chǎn)生越來越多的光子，就必須要使受激輻射產(chǎn)生的光子多于受激吸收所吸收的光子。怎樣才能做到這一點(diǎn)呢？我們知道，光子對(duì)于高低能級(jí)的光子是一視同仁的。在光子作用下，高能級(jí)原子產(chǎn)生受激輻射的機(jī)會(huì)和低能級(jí)的原子產(chǎn)生受激吸收的機(jī)會(huì)是相同的。這樣，是否能得到光的放大就取決于高、低能級(jí)的原子數(shù)量之比。若位于高能級(jí)的原子遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于位于低能級(jí)的原子，我們就得到被高度放大的光。但是，在通常熱平衡的原子體系中，原子數(shù)目按能級(jí)的分布服從玻爾茲曼分布率。因此，位于高能級(jí)的原子數(shù)總是少于低能級(jí)的原子數(shù)。在這種情況下，為了得到光的放大，必須到非熱平衡的體系中去尋找。”
　　激光是20世紀(jì)繼原子能、計(jì)算機(jī)和半導(dǎo)體之后，人類的又一重大發(fā)明。它的原理早在1916 年已被著名的物理學(xué)家愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，但要直到 1958 年激光才被首次成功制造。激光是在有理論準(zhǔn)備和生產(chǎn)實(shí)踐 迫切需要的背景下應(yīng)運(yùn)而生的，它一問世，就獲得了異乎尋常的飛快發(fā)展，激光的發(fā)展不僅使古老的光學(xué)科學(xué)和光學(xué)技術(shù)獲得了新生，而且導(dǎo)致整個(gè)一門新興產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)。