一束指甲盖大小的激光居然可以顶起100万个埃菲尔铁塔？未来能源危机的最终解决方案或许是激光？大科学装置“羲和”和“神光”究竟是做什么用的？关于激光，你不知道、想知道的，都在这里！
无理性不真相，欢迎收看理性派对第三季，我是本期的主持人吴宝俊。漫威的《X战警》当中有一个特殊的变种人“镭射眼”，平时带着墨镜。但当他摘下墨镜时，双眼就会放出破坏性极强的光线，这也正是我们今天要聊的主题——激光。
首先我们探讨一下，激光在我们普通老百姓的日常生活当中能够接触到吗？我们就举三个例子。第一个是手电筒，特别是现在小孩子玩的一种玩具手电筒特别亮，那有没有可能是激光？其次是大家说的LED屏，它和激光有没有关系？另外，还有我们经常说的光盘，它的“光”和激光有没有关系？
我们日常买到的物品基本上都不是激光的，但是光盘是个例外。最早的第一张CD其实就是由激光刻出来的。也就是说，光盘其实是指激光刻的盘。那LED屏呢？包括LED屏在内的显示屏，其实大部分都用不着激光，因为激光的亮度非常高。当然，现在有很多企业和科研院所也在专注于做激光显示或者激光投影，实际上也是为了提高亮度。
激光的英文是laser，即受激辐射光放大（light amplification by stimulated emission of radiation）英文首字母的缩写。激光与普通光源的差别主要有四个：第一个特点是它的方向性特别好。无论是太阳光还是白炽灯泡，这些普通的光源都是向四面八方发射的，但是激光的方向性就特别好。第二个特点是它的单色性特别好。
太阳光经过棱镜分光以后，我们可以看到多种颜色的光谱带。但是激光的单色性很好（波长分布范围非常窄），它的单色性甚至能够到10-10-10-13的量级。第三个特点是它的相干性特别好。激光是受激辐射放大光，它所有的光子都是同一个光子态，所以它的相干性特别好（在传播过程中保持着相同的相位差，波形近乎完全一致）。第四个特点是它的亮度高。
激光从诞生至今的历史其实并不长。
现在我们把每年的5月16日定义为国际光日，原因就是1960年5月16日，在美国的西部休斯公司有一个叫梅曼的工程师第一次实现了激光。当时的激光发出的是红光，中心波长大概是690多纳米。在激光laser之前，人们最先发明的是脉泽maser。其实就是把L换成了M，L表示light，说明是在光学波段，而M表示microwave，说明是在微波波段。其实在微波波段更容易产生这样一个微波的放大器。
当时发明微波放大器的时候，还有中国人的贡献在里面。这是世界第一台微波激射器，我们在这张图上会发现有一个亚洲人的面孔，这个人叫王天眷。
如果要产生受激辐射光放大这样的一个激光器，它必须有三个组成的要素：一是激光的工作物质，二是一个泵浦源，还得有一个光学的谐振腔。那么激光的工作物质就是用来实现粒子数的反转，并且产生、收集辐射光放大的工作物质。
要实现受激辐射光放大，粒子要从高能级跃迁到低能级，那高能级的粒子就越来越少了。所以之前需要有一个粒子数反转的过程，让高能级的粒子变多，即粒子数的反转。粒子数反转就是在激光的工作物质里面实现的，我们也叫它激光增益介质。
激光器里还有一个光学的谐振腔。刚刚我们提到光子从1变2、2变4、4变8这样一个过程，它需要光子通过激光的工作物质的路径很长。实际上我们是通过两端有高反射的膜的光学谐振腔实现的。一个光子在激光器里运动，遇到反射膜后就会回来，最终在两个反射膜之间来回振荡。这就叫做光学谐振腔。
除了这三个关键的必要的组成部分之外，我们还要去调节整个激光的输出光束的质量，这就要光学元件登场了。其中比较关键的一个元件叫做激光薄膜元件。我们知道激光是沿直线行走的，激光薄膜元件就是唯一能够迫使只知道直线行走的强激光按照人类的意志改变方向的独门元件。比如美国国家点火装置这样的大型激光装置里，就需要有数万件的激光薄膜元件。
超快就是它的脉冲宽度特别短，所以也叫做超短脉冲激光。最初梅曼的激光器其实是以毫秒量级闪耀，也就是一个脉冲有几个毫秒。随着激光技术的进步，脉冲宽度越来越窄。目前最短的飞秒激光大概在一两个飞秒左右。然后以这样的飞秒激光去产生或驱动所谓的阿秒光源，可以达到几十个阿秒。飞秒就是10-15秒。再往下还有阿秒、仄秒，分别是10-18秒和10-21秒。
如果你的能量是不变的，比如只有一个焦耳的能量，你把一个焦耳在一秒钟内释放，它差不多就是一瓦。如果这一焦耳的能量在一毫秒的时间尺度内释放，它就会变成1000瓦，功率就会直接提高1000倍。如果再进一步地压缩，从毫秒压缩到微秒，就又提高了1000倍，也就是106瓦。如果再进一步从微秒变纳秒再变成皮秒，每一次都是1000倍的提升。
如果把一个拍瓦（1015瓦）的激光聚焦到一个小点，聚焦到你的指甲盖上，就会产生一个极大的压强。这个压强相当于你用一个小拇指就能顶起埃菲尔铁塔，但不是顶一个，而是顶100万个。
这样的一些短脉冲的好处就是它不需要特别大的能量。因为它的时间持续很短，还可以用来看一些运动非常快的事物。很多朋友照相的时候可能都有过这样的感受。当你的快门不够快的时候，去拍一些运动的物体比如奔驰的跑车，你会发现像就虚了。用电学的方法开合的时间能达到10-9秒就已经很快了，但是用光学的方法可以实现10-15秒。
如果激光脉冲是一个飞秒，那就意味着在一个飞秒内就完成了光的开和关，形成了一个超快的快门。这时候如果把它当成一个闪光灯，就可以去拍摄和它差不多量级的瞬态的运动。所以有科学家叫泽维尔，就拿这样的激光去拍分子键的断裂、结合，获得了1999年诺贝尔化学奖，他专门给这个学科定义为飞秒化学。
其实诺贝尔奖给了很多个与激光相关的研究，包括化学奖和物理学奖，像2018年的诺贝尔物理学奖就颁给了超强超短激光。拿激光直接去拍分子键的断裂，因为分子键的断裂太快了。要是拍咱们运动员打拳的速度，其实也是大炮打蚊子了。没错，那可能微秒级的激光就够了。像子弹出膛，大家可能都看过《黑客帝国》里基努·里维斯躲子弹，其实以我们超快光学的眼光看，躲子弹不需要太快。
刚刚提到1960年美国科学家研制出世界上第一台红宝石激光器，那么1961年，我们国家的王之江院士成功研发了中国的第一台红宝石激光器。到1964年，我们中科院上海光机所成立，是中国第一个专业做激光研究的研究所。早期的时候我们是以大能量激光和大功率激光起家的，目前主要有三个方向：一是刚刚提到的超强超短激光，我们也在做；二是激光聚变领域；然后就是空间领域的激光。
像我们研究所在嫦娥工程里做的测距用的激光器，它从环月阶段就利用激光技术测量自己到月球表面的距离。在落月阶段还可以精确地测量月球表面的三维形貌，为找到着落点提供一个比较好的数据支撑。超强超短激光也是我们的一个主要研究方向。我们所里研制的上海超强超短激光实验装置，也叫羲和激光装置。装置产生的最高的峰值功率能够到10个拍瓦，光强相当于10个太阳，目前是国际上最高的。
也是被Science的一篇文章评述为从1960年第一台激光器研制成功以来，在脉冲功率的提升方面的第5个里程碑。前4个里程碑都是美国的，这个是我们中国的。
举一个例子，如果我们想研究太阳内部物质的状态，但以人类目前的科学水平是不可能进入太阳的。那么我们就可以用超强超短激光，把一个物质加热到和太阳内部差不多的温度，同时用激光从物质的周围四面八方对它进行施压，使得它成为一个高密度的状态。
这样一个高温、高密度的状态就接近了太阳本身的环境，这个时候我们就能够在实验室里去研究太阳内部的物质状态。就是使用羲和这样的装置可以模拟一个恒星？它可以模拟一些非常极端的物理条件，比如恒星内部的超高温、超高压，或者是超强的磁场。
这些都需要在超强的激光下，借助类似羲和这样的超强拍瓦激光来实现，以至于人类在实验室里就可以做一些天体物理上的模拟，专门有一个分支就叫做实验室天体物理。
朱老师，你能不能再介绍一下激光核聚变的来龙去脉？我国著名的核物理学家王淦昌院士和前苏联的科学家巴索夫（诺贝尔奖的获得者），他们分别在1964年和1963年独立提出了激光核聚变的设想。目前我们国家有两支团队在激光核聚变这个领域做得比较领先，一个是上海光机所的神光Ⅱ号和神光Ⅱ号升级装置，另一个是中国工程物理研究所的神光Ⅲ号。
在国际上做激光聚变装置比较领先的有美国的国家点火装置、法国的兆焦耳装置，还有日本的GEKKO装置。美国国家点火装置是目前最大的激光核聚变装置，整个占地面积大概有三个足球场那么大，它有192路的激光束。如果将来有了激光核聚变，很可能就能彻底解决能源上的一些危机，或者从根本上改变人类对于能源的需求。
刚才二位老师聊了他们的科研方向，接下来回到我们的生活当中。
比方前两天我去拔牙，就了解到现在有一种激光拔牙的技术，两位有研究这个技术吗？我们不研究拔牙，但是我也了解到有一种激光的技术可以做根管治疗。现在的根管治疗通常来说就是拿一个小电钻一钻，把里面的东西给钻碎，然后再掏出来，彻底杀死你的牙神经，其实激光也可以替代这样的钻头。我身边还有很多同事说激光可以治疗近视眼，这个有用吗？我们也不研究，但是这个事情我觉得是靠谱的。
在激光诞生后的第二年，国际上就开始把激光技术应用到医疗领域。在上世纪60年代的时候，激光在眼科学和皮肤科学的领域就已经得到成功的应用了。到了70年代的时候，随着光纤技术的发展，激光技术又结合了内窥镜的技术，在治疗胃出血、泌尿外科这些领域得到了应用。所以，激光技术在临床医学上还是取得了比较丰硕的成果。国内有很多单位都开展过类似的超快激光的研究，尤其是皮秒或者飞秒激光来做这种眼科手术。
因为近视的时候晶状体的曲率变大了，把这个晶状体上面切掉一层之后，自然而然地曲率就变平了。
为什么要用激光呢？就是因为它可以非常精细地实现这种微纳的加工。为什么激光能做光刻，也是因为它在这样的定位或者尺度下能够控制得非常好。您说的正是我想问的下一个问题，光刻机里的光其实就是激光？光刻机是一个相对比较复杂的系统。光学或者说激光光源是光刻机里面的一个比较重要的部分，但绝对不是唯一的组成部分。
其实除了需要掌握一个非常高通量的光源之外，另外还需要一个非常复杂的光学的成像系统。甚至它的反馈控制，包括光刻胶这种材料，还有里面所有核心的元器件，其实方方面面都是相对比较复杂的工程性的设计，每一个部件都蕴含了很多的基础科研的储备和科学技术的积累。
光刻机的光源是整个光刻机的非常重要的组成部分。集成电路现在要求5纳米及以下的集成节点去量产的时候，深紫外光源就已经满足不了要求，极紫外技术就应运而生了。那么极紫外是13.5纳米的紫外光，但它并不是直接由激光器产生的，而是由万瓦级的二氧化碳激光器来轰击锡液滴靶产生的，所产生的等离子体的光刚好是13.5纳米的光。
接下来，二位老师能不能从专业的视角聊一聊，或者大胆展望一下，未来激光技术这个领域在本身科研或者在改变人类的生活方面有没有可能出现什么巨大的突破或者出人意料的东西？我举一个小例子，我们知道在经典的物理认知里真空里是空的，但是在量子动力学的视角下，真空里是有正物质和反物质的。
那么假如我们的超强超短激光装置再往前进一步，峰值功率再高一点，把激光汇聚到功率密度达到1023到1024瓦每平方厘米的这样一个量级的时候，我们就有可能撕裂真空，去看一看真空里到底有没有正物质或者反物质。
我个人的经验可能会觉得，这种光学的技术会和磁学、声学等各种各样的先进技术融合。其实可以想象，在非常强的时候我们可以做非常极端的物理条件；当你的激光能量或功率没那么强的时候，可能会做一些加工性质的工作，包括航空发动机和芯片的刻蚀。但如果激光能量再低一些，可以做一些更有意思的工作，比如人体组织的修复。所以希望激光能够照亮我们生活的方方面面。
在节目的最后，还请二位老师表达一下参加我们节目的感想。在这边感觉就像和朋友们一起聊聊天，可能有说的对的和不对的地方，也请大家以批判的眼光来看待我们的理性派对。参加这个节目和各位老师一起聊聊激光技术本身是一件非常开心的事情，我希望今后有更多的同学们能够致力于激光技术的研究，能够尽快地占领整个世界的科技前沿。这里是理性派对第三季，我们本期激光的话题就聊到这里，谢谢大家。