马金贵：超短超强激光，创造无限可能 | 大家

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马金贵

上海交通大学教授、仲英青年学者

光的重要性不言而喻。有了太阳光，才有了白昼和五彩斑斓的大自然。一到夜晚，各种人造光源纷纷登场，日光灯驱除黑暗，霓虹灯营造氛围……而无论白天和黑夜，都有一种人造光源在默默工作中。它很有用，各行各业都有它的身影；它又很低调，人们往往会忽略它的存在——它就是激光。

课堂上，老师手持的激光笔发出的光点在投影屏幕上游走，时刻提示你跟上他的讲课进度。超市里，你拿着一瓶饮料扫码支付时，激光读取了饮料的条形码和你的手机付款码，帮你完成了一次快捷的无人支付。回到家，当你打开电脑浏览邮件或者观看视频的时候，光纤中的激光将你需要的信息快速传输到你的面前。眼睛近视了，不想戴眼镜，去医院做近视矫正术，又是激光在助你重拾清晰。工厂里，激光在切割、焊接各种材料，为你制造工艺精湛的手机、汽车……

自1960年第一台激光器发明以来，激光发展迅速，在应用于各行各业的同时，其自身也在不断进步：脉冲宽度短至飞秒尺度（1fs = 10^-15s），在如此短的时间内光在真空中走的距离还不及一根头发丝的粗细；峰值功率高达拍瓦量级（1PW = 10¹⁵W），相当于全球电网总功率的数百倍；聚焦光强超过10²¹W/cm²，相当于将地球上接收到的太阳总辐射聚焦到百微米的范围。这种超短超强激光使得人们可以窥探原子内部的演化行为，可以创造只有在恒星内部或者黑洞边缘才有的高能量密度物理环境，可以使得《流浪地球》中的可控核聚变成为可能，甚至可以在真空中创造物质。

在描述一些大数或者小数的时候，往往使用科学计数法比较方便，即把此数表示成a×10ⁿ的形式，其中1≤a<10，n为整数。为了便于文字表述，从n=0开始往正负两侧每三个整数定义一个数量级单位。本文介绍激光参数时，会频繁用到这些数量级单位

激光被称为20世纪人类的四大发明之一（另外三个分别是原子能、半导体和计算机），它是量子力学发展的产物。谈到激光，就不得不提及原子的结构和能级。原子由一个原子核和若干电子构成，电子绕核运动。人们长期认为电子的能量是连续的，但后来发现并不是这样。1913年，丹麦物理学家尼尔斯·玻尔提出了至今仍被广泛认可的原子模型：

原子的能级结构以及受激吸收和受激辐射原理示意图

要实现稳定的受激辐射输出，需要满足粒子数反转的条件，即激发态粒子数多于基态粒子数。然而正常状态下受激吸收和受激发射的概率是相同的，再考虑到激发态粒子的自发辐射，这使得激发态的粒子数往往少于基态粒子数。

直到1954年，美国物理学家查尔斯·汤斯巧妙利用磁场将处于激发态的氨分子与基态氨分子分离，只将激发态的氨分子注入谐振腔中，实现了粒子数反转，制成了微波激射器（MASER），其波长为1.25cm。在同一时期，苏联的两位科学家尼古拉·巴索夫和亚历山大·普罗霍罗夫也独立研制了MASER。为此，汤斯、巴索夫和普罗霍罗夫三人共同获得了1964年的诺贝尔物理学奖。

MASER问世后，科学家开始竞相研制光频段的LASER。1960年，划时代的事件到来了，当时在美国休斯实验室工作的西奥多·梅曼制成了世界上第一台真正意义上的激光器LASER。梅曼采用红宝石棒作为激光增益介质，晶体两端镀银膜形成谐振腔（只在一侧留有小孔便于激光出射），晶体侧面采用螺旋形氙灯进行泵浦。

至此，构成激光器的三大要素（增益介质、谐振腔和泵浦源）全部具备了。1960年5月16日下午，随着氙灯电压的增加，一束红光（波长为694.3nm）从红宝石棒一端的小孔中出射，第一台激光器就此诞生。

在世界第一台激光器诞生以前，我国已经开展了激光器的设计和研制工作。1961年，王之江院士成功研制了我国第一台红宝石激光器。与梅曼的红宝石激光器相比，王院士设计的红宝石激光器采用了一种能量转换效率更高的构型。不久以后，我国第一台氦氖激光器（1963年）、第一台钕玻璃激光器（1963年）、第一台半导体激光器（1963年）、第一台二氧化碳激光器（1965年）等各类新型激光器如雨后春笋般不断涌现。直至今天，我国的激光技术水平仍然处于世界前列。

超短超强激光，顾名思义就是脉冲时间超短、峰值功率和强度超高的激光。超短超强激光的发展，一方面源于科学家自身研究兴趣的内在驱动，另一方面源于外部应用的需求牵引。

由于激光的峰值功率P等于脉冲能量E与脉冲时间t的比值（P= E/t），因此提高脉冲峰值功率P的有效途径之一就是减小脉冲的时间宽度t。如何让一个连续运行的激光器变成脉冲运行呢？

要形成激光，前提是要有泵浦源和增益介质提供的增益；同时，激光振荡腔内还有元件吸收、反射等造成的损耗。只有当增益大于损耗的时候，激光才会有净输出。这启示我们可以通过调节腔内损耗将一个连续运行的激光器变成脉冲运行。就像一个手电筒，通过控制开关不断地闭合与断开，可以将出射光束变成脉冲发射。这就是调Q技术。调Q本质上是调节的腔内损耗，其中Q是英文单词Quality的首字母，代表激光腔的品质因子，与腔内损耗成反比。

调Q技术主要有两种。

通过调Q技术，激光振荡器可以直接输出纳秒宽度的脉冲，峰值功率可以达到兆瓦量级。如何进一步缩短脉冲宽度呢？激光工程师解析调Q输出的脉冲，发现里面包括很多不同频率的自由振荡模式（纵模）。如果设法能锁定这些模式，那么它们之间的干涉就会形成比调Q脉冲更短的脉冲，这就是锁模。锁定的模式越多，输出的脉冲越短。基于克尔透镜锁模技术的钛宝石激光器，最短的输出脉宽可以短至5fs，被广泛用于研究各种超快现象。

调Q和锁模技术均是在20世纪60年代初期发明的。应用这两种技术的超短激光的峰值功率很快达到兆瓦-吉瓦水平。然而在随后很长的一段时间内，激光的峰值功率并没有得到显著提升，这是由于此时的激光强度已经接近了增益介质的损伤阈值，很难再对脉冲激光继续放大。

这种情况一直持续到1985年才被打破。彼时还在美国罗切斯特大学工作的杰拉德·莫罗与他的研究生唐娜·斯特里克兰一起提出了一种巧妙的啁啾脉冲放大（CPA）方法：先将飞秒脉冲利用色散展宽成脉宽较长的纳秒脉冲，然后注入增益介质进行放大，最后重新压缩回飞秒脉冲，这样就实现了对飞秒脉冲进行放大的同时不会破坏增益介质。展宽的脉冲在不同的时间具有不同的频率，如果将其看作音频的话，它就类似一段婉转动听的鸟叫声，因此将这种脉冲称作啁啾脉冲。

CPA技术解决了超短脉冲的放大问题，使得激光脉冲的峰值功率得以快速提升。1996年，美国利弗莫尔国家实验室研制了世界上第一台钕玻璃拍瓦激光器诺瓦（Nova）。自此以后，超短超强激光进入了蓬勃发展期。截至目前，世界上已经建成了数十套不同类型的拍瓦激光装置，既有基于钕玻璃或钛宝石增益介质的拍瓦激光，又有基于非线性频率转换的光参量啁啾脉冲放大（OPCPA）型拍瓦激光。其中我国上海张江的“羲和”装置在国际上率先达到10PW，几年后欧洲的极端光设施（ELI）工程也建成了10PW激光装置，它们代表着当前强激光的最高峰值功率水平。

上海张江“羲和”10PW激光装置

现代光学实验室一角

2018年诺贝尔物理学奖的一半奖金授予了CPA技术的发明者——法国科学家杰拉德·莫罗和加拿大科学家唐娜·斯特里克兰，以表彰他们对超短超强激光领域的奠基性贡献。

随着调Q、锁模、CPA等技术的出现，激光的峰值功率和聚焦强度快速增长，使得人们可以研究不同强场区域的新奇物理现象。超短超强激光具有“超快”和“超强”两个基本属性，在很多领域发挥了不可替代的作用。

超短激光脉冲可以作为观测超快过程的探针。百米赛跑，利用高速相机才能拍摄到运动员撞线时谁先谁后。如果要观测更快的事件，比如化学反应过程，就需要“相机”的快门时间短至飞秒量级，飞秒脉冲恰好提供了所需的超高速分辨能力。艾哈迈德 · 泽维尔就是利用超快激光研究化学反应中化学键的断裂和形成过程的先驱，开创了“飞秒化学”这一崭新领域，获得1999年诺贝尔化学奖。

伴随着超短脉冲激光的出现，在泵浦-探测技术的基础上，衍生出了应用于原子分子尺度微观世界研究的超快电子衍射技术：首先由飞秒激光（泵浦）激发样品的动力学过程，随后利用电子束（探测）记录某一时刻原子的位置信息；改变电子束与激光的延时，记录不同延时的原子位置信息，最终可以将不同时刻的原子信息结合起来形成原子电影，完整再现原子尺度超快动力学的全过程。

人们不禁要问：还有没有比飞秒脉冲更短的探针？由于原子内部电子的运动特征时间是阿秒量级（内壳层电子绕核一周的时间约为150as），如果能产生阿秒脉冲，那么我们就可以将研究视线深入原子内部。为此，科学家利用飞秒脉冲驱动气体的高次谐波产生过程，产生了阿秒脉冲。2023年诺贝尔物理学奖授予美国科学家皮埃尔·阿戈斯蒂尼、德国科学家费伦茨·克劳斯和法国/瑞典科学家安妮·吕利耶，以表彰他们“开发了产生阿秒光脉冲的实验方法，用于研究物质中的电子动力学”。

强激光可以将原子的外层电子电离出来，变为自由电子。电离后的原子核和自由电子会组成一团微观带电但宏观电中性的物质，这就是物理学中所谓的“等离子体”（太阳就是一个超级大的等离子体火球）。

激光等离子体引雷，图片来自《科学美国人》（Scientific American）

上面讲的都是利用激光与物质相互作用产生的一些新奇的现象和应用。超快激光还可以对材料本身进行加工。与连续激光或长脉冲激光利用光热效应加工材料不同，超快激光是利用强场效应来加工材料，精度更高，质量更好，整个过程不产生热，属于“冷加工”。目前超快微纳加工已被广泛用于航空航天、生物医疗、新能源和新材料等高精尖领域，比如治疗近视的全飞秒激光手术，正是利用飞秒激光切削角膜来矫正视力的。对于透明材料，超快激光还可以在其内部制备三维结构，而不损坏表面。

飞秒激光（a）和纳秒激光（b）打孔的区别，图片来自《光：科学与应用》（Light: Science & Applications）

强激光可以在地球上创造类似恒星内部或者黑洞边缘的高能量密度物理状态，因此在实验室天体物理和激光聚变等方面具有重要应用。作为“人造小太阳”，实现可控激光聚变一直是人类的梦想，是应对人类能源危机的终极解决方案之一。激光发明后不久，很多科学家前瞻性地提出了利用强激光实现受控核聚变的设想，其中包括苏联科学家巴索夫和我国科学家王淦昌。现在世界上已经造出了多套激光聚变驱动器，比如美国国家点火装置（NIF）、法国兆焦耳激光装置（LMJ）和我国“神光”系列激光装置。

事实上，聚变本质上还是物质产生能量，激光只是起到点火的作用。这不禁让人思考，有没有可能反过来，利用能量产生物质呢？美国诺贝尔物理学奖获得者朱利安·施温格于1951年预言，如果激光强度超过10²⁸W/cm²，那么就足以激发真空，将真空中的量子涨落转变成真实的正负粒子对，从而“无中生有”，从真空中产生物质 。虽然目前的激光强度还远远达不到真空光强的施温格极限，但不妨碍科学家仍在为之不断努力。