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飞秒激光器 物理英才 | 别以为飞秒激光器离你很远

更新时间:2021-05-05 09:29:26

“人才计划”由中国科协和教育部于2013年启动。其主要任务是在自然科学基础学科著名科学家的指导下,选拔一批学习成绩优秀、有余力、有创新潜力的中学生进入大学,参与科研项目、科技社团活动、学术讨论和科研实践。

2018年3月,中国科学院大学与中国科协在国家科技大学官方微信微信官方账号上联合开通“物理人才”频道,以文字、音频、视频等多种形式展示“物理人才计划”的实施情况,传播科学思想和知识。

栏目介绍

曾几何时,你也有过“我想成为科学家”的梦想吗?你也想为科技进步做贡献吗?是不是也想在科技领域留下自己的名字?为了满足大家对科研的好奇心,中科院大学物理人才频道将带您陆续进入物理领域的各个前沿重点实验室,接触科研一线的先进仪器设备!

这一问题的要点

本期我们走进中科院大学物理研究所光物理重点实验室,向大家展示20太瓦超短激光的风采。

简介

光物理重点实验室是中国科学院的重点实验室,隶属于中国科学院物理研究所。实验室是从事光物理基础研究和应用基础研究的实体。其主要研究方向是光与物质相互作用的基础研究。同时,还开展新材料在光学特别是光子学中的应用基础研究。一方面重视光物理本身的研究,另一方面将现代光学方法和技术引入凝聚态物理和材料科学,探索几种新材料在高科技产业中可能的应用。

光物理重点实验室

接下来跟着镜头进入光物理重点实验室揭开20瓦超短激光的面纱~ ~

激光简介

说到光物理,我相信首先想到的是上个世纪最伟大的发明之一——激光。的确,我们的生产和生活早就离不开各种激光,从激光打印机到威力无穷的激光武器。对于光物理实验室来说,激光是必不可少的。毕竟激光的强度高、准直性好、单色性好、相干性好这四大优势太吸引人了,这也决定了它非同一般的地位。在各种激光器中,有一种激光器可以被称为激光的王中王,即超短激光(或飞秒激光)。

激光武器(图片来自网络)

超强超短激光简介

超强超短激光中的“超强”是指激光的功率非常高,一般可以达到太瓦级,也就是万亿瓦。“超短”是指激光的脉冲持续时间非常短。我们知道激光器发出的光束不是连续的,而是逐脉冲的,而超短激光的脉冲时间可以达到几十飞秒,一飞秒等于10-15秒,也就是千分之一秒。什么概念?如果把一飞秒比作一秒,那就相当于现在宇宙的年龄(138亿年)比作一分钟。

比如我们今天要介绍的20太瓦的Ti:蓝宝石飞秒激光器,将0.6J的激光能量集中在30飞秒的时间尺度内,因此其功率可以达到20太瓦,相当于目前全球(平均)发电量的两倍。

超强超短激光

超强超短激光原理

一般的超强超短激光分为四个部分:振荡器、展宽器、放大器和压缩器。振荡器主要由谐振腔和谐振腔内的激发介质组成。光辐射在谐振腔内沿轴向往复传播,多次穿过物质。光辐射被放大许多倍,形成一束高强度、方向集中的“激光”。当然,振荡器发出的激光功率远远不够,需要放大。但由于我们需要的激光功率太大,如果直接放大激光,会对工作材料造成损伤,尤其是放大器,不仅会限制放大功率,还会造成脉冲波形的变形。为了解决这个问题,我们通常采用啁啾脉冲放大(Chirped Pulse Amplification,CPA)技术:激光从振荡器中出来后,首先通过一个展宽器,展宽器会将原始脉冲在时域展宽几个数量级,然后通过放大器放大展宽后的激光脉冲,最后通过压缩器将脉冲宽度压缩到原始宽度,最终得到几十飞秒的激光脉冲。

飞秒激光示意图

超短超强激光的应用

了解了飞秒激光的原理之后,我们再来讨论它的应用。我们知道,强激光可以用来创造一系列极端的物理条件,如超强电场、磁场、压力等,可以产生很多不可思议的物理现象。比如强激光与气体相互作用会形成等离子体,激光打在固体靶上就会产生太赫兹辐射。另外,强激光与某些物质相互作用后,可以产生类似于天体现象的极端物理环境,这给了我们在光学实验室探索天体物理问题的机会。总之,这种飞秒超强激光的出现,为我们研究各种极端的物理问题提供了非常重要的手段。

激光加速尾流场的电子加速效应图

超强超短激光脉冲与气体相互作用时,激光脉冲可以将气体电离成等离子体,激光脉冲的前沿可以将等离子体放电形成空气泡。当电子和等离子体的速度匹配时,电子可以被捕获并加速,从而获得高能电子。

飞秒激光广泛应用于工业甚至日常生活中。比如在工业领域,飞秒激光可以快速准确地将其全部能量集中在有限的作用区域,实现玻璃、陶瓷、半导体、塑料、聚合物、树脂等材料的微纳加工。,具有其他激光加工无法比拟的优势。因此,飞秒激光微加工是当今世界激光和光电产业中极具吸引力的前沿研究方向。将用于超高速光通信、强场科学、纳米科学、生物医学等领域。

另一个熟悉的例子是使用飞秒激光进行视力矫正手术。使用飞秒激光作为超精密手术刀最大的优点是精度高,并发症概率低。平均波动10 ~ 15um,是板层刀的3倍精度,角膜瓣并发症的实际概率低几万倍。因此,用飞秒激光制作角膜瓣,可以大大提高准分子激光治疗近视的手术安全性,特别是对于角膜薄、角膜曲率变化大、高度近视的患者。

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