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神奇的激光與等離子體
激光與等離子體技術(shù)越來越多地應(yīng)用在我們的生活中。本期《大咖面對(duì)面》我們邀請(qǐng)了北京科技大學(xué)數(shù)理學(xué)院教授王云良老師，為大家介紹神奇的激光與等離子體。
問題一：激光是什么，與普通的光有什么區(qū)別？
激光這個(gè)概念最早是愛因斯坦提出的。1960年，人們制出了第一臺(tái)激光器。激光的特點(diǎn)是具有方向性、單色性，并且頻率相對(duì)單一。
經(jīng)過一代代科學(xué)家和技術(shù)人員的努力，激光器不斷更新?lián)Q代，無論是激光強(qiáng)度還是其他性能都有很大的提升。
現(xiàn)在，激光的強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到很高水平，很多實(shí)驗(yàn)室，都能實(shí)現(xiàn)10的23次方瓦每平方厘米的光強(qiáng)。
去年的諾貝爾獎(jiǎng)就頒給了啁啾脈沖放大技術(shù)的提出者M(jìn)ourou和他的學(xué)生。
問題二：什么是等離子體？
與大家都比較熟悉的固體、液體、氣體一樣，等離子體也是物質(zhì)存在的一種形式。
如果我們把氣體持續(xù)加熱，使氣體溫度不斷升高，構(gòu)成氣體的分子就會(huì)越來越劇烈地運(yùn)動(dòng)，并越來越頻繁地發(fā)生碰撞。
當(dāng)分子的運(yùn)動(dòng)劇烈到一定程度時(shí)，它自身無法再承受如此劇烈的運(yùn)動(dòng)與如此頻繁的碰撞，就會(huì)發(fā)生解體，分裂成帶正電和帶負(fù)電的幾部分。
由于分子本身是電中性的，所以分裂出的所有帶負(fù)電的部分與所有帶正電的部分各自帶的總電量是相等的，故稱為“等”離子體。
大家對(duì)等離子體不熟悉，是因?yàn)樵诘厍蜻@個(gè)環(huán)境當(dāng)中，自然界存在的等離子體不是很多。
即便如此，大家也都見過等離子體，極光、日光燈里都含有大量的等離子體。從更大范圍來說，太陽中也存在大量的等離子體。
問題三：人們?yōu)槭裁匆芯考す馀c等離子的相互作用？
目前，大家研究激光與等離子體相互作用的主要驅(qū)動(dòng)力是激光對(duì)等離子體的慣性約束核聚變。
我們的化石能源總有一天要枯竭，或者說會(huì)出現(xiàn)短缺，研究新的能源技術(shù)迫在眉睫。
慣性約束核聚變的原理是用激光把等離子體約束到高溫、高壓、高密度的狹小空間內(nèi)，使得等離子體中的原子核相互碰撞、聚合，發(fā)生核聚變，釋放大量的能量。
聚變沒有核輻射，相對(duì)來講，是非常清潔的能源，太陽之所以能發(fā)光發(fā)熱正是因?yàn)槠鋬?nèi)部不斷發(fā)生著核聚變。
聚變的原料是氫的同位素，可以在海水當(dāng)中提取，可以說是取之不盡用之不竭。
所以，對(duì)于激光與等離子體相互作用的領(lǐng)域，對(duì)于科研人員來說，最大的研究動(dòng)力就是激光的慣性約束核聚變。
問題四：激光為什么可以約束等離子體？
激光約束等離子體的概念最早是由我們國家，還有蘇聯(lián)的科學(xué)家，相對(duì)獨(dú)立提出的。
它非常類似于氣缸的點(diǎn)火，經(jīng)過激光的打靶、燒蝕、壓縮，然后點(diǎn)火，進(jìn)而使核聚變發(fā)生，其中，主要利用了激光高光照強(qiáng)度、高能量密度的特性。
利用這個(gè)原理，人們能夠?qū)ΨQ地壓縮等離子體，使核聚變?cè)诤苄〉目臻g內(nèi)發(fā)生。
當(dāng)然，這種方法在技術(shù)上相對(duì)難以實(shí)現(xiàn)，所以現(xiàn)在很多的研究者提出了其他的壓縮方案，比如間接驅(qū)動(dòng)，快點(diǎn)火等等。
問題五：什么是自由電子激光？
自由電子激光，是由不斷變速的電子產(chǎn)生的激光。
首先，人們要制造出一束速度很高，方向性很好，不發(fā)散的電子，最好電子的能譜也比較唯一，也就是說，電子束中每個(gè)電子的速度比較接近。
沒有人為干預(yù)的情況下，電子束會(huì)徑直地往前傳播。如果人為地加上電磁場，在電磁場作用下，電子束中的電子就會(huì)搖擺起來。
比如，在電子束經(jīng)過的路徑上加一個(gè)磁鐵，電子束就能夠在磁鐵產(chǎn)生的磁場作用下，上下?lián)u擺和左右搖擺。
電子搖擺的時(shí)候，因?yàn)槠滠壽E改變了，按照傳統(tǒng)的經(jīng)典電磁學(xué)的概念，電子就具有了加速度，有加速度后，電子就會(huì)產(chǎn)生輻射，這個(gè)輻射滿足一定條件時(shí)就會(huì)相干，形成自由電子激光。
問題六：什么是脈沖激光？
脈沖激光是相對(duì)于連續(xù)激光而言的。脈沖激光每次只是發(fā)射出一個(gè)光脈沖，這個(gè)光脈沖在空間和時(shí)間上都是局域化的。
脈沖激光在時(shí)間上持續(xù)得比較短，可能是幾皮秒（一萬億分之一秒）、幾納秒（十億分之一秒），甚至幾飛秒（一千萬億分之一秒）。
而連續(xù)輻射的激光，它不是局域化的。連續(xù)激光就好比是一束光線，一個(gè)光脈沖，就可以理解成“一團(tuán)光”。
問題七：為什么要研究脈沖激光？
實(shí)際上，做脈沖激光的研究是一個(gè)取舍，連續(xù)激光很難達(dá)到非常高的強(qiáng)度，所以大家就選擇研究脈沖激光。
如果把脈沖的時(shí)間壓縮得非常短，短到飛秒，甚至有可能到阿秒（一百億億分之一秒），那么激光的功率就會(huì)提高，相比連續(xù)激光更容易實(shí)現(xiàn)較高的強(qiáng)度。
所以我們經(jīng)常說的光強(qiáng)，它是一個(gè)功率的概念，提高了功率，才能使光強(qiáng)增大。因此，跟強(qiáng)激光有關(guān)的研究領(lǐng)域中出現(xiàn)了一個(gè)新的名詞，叫“高能量密度”。
所謂“高能量密度”就是把脈沖光聚焦在空間中比較小的一個(gè)范圍內(nèi)，在持續(xù)時(shí)間上也不斷縮短。
因此，激光的全部能量就集中在了很小的空間與時(shí)間范圍內(nèi)，能在一瞬間達(dá)到很高的強(qiáng)度。
當(dāng)然，如果有朝一日，人們的技術(shù)水平提高了，連續(xù)激光也能實(shí)現(xiàn)很高強(qiáng)度時(shí)，脈沖激光可能會(huì)失去研究價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。
本文出自：北京科學(xué)中心
