这块完美无缺的宝石是国之重器的心脏,可以输出世上最明亮的一束光。
大家能想到有什么事情比改造世界更令人兴奋吗?在许多电影里都有类似的武器。这种发光的武器,人们统称它们为激光剑或者激光武器。其实这么叫是不恰当的,因为它本来的设定是晶体通电之后发光的过程。
我更想把激光比作是“一支纪律严明的光子部队”,它们的频率、方向、波长都一致,很像一支阅兵时走方阵的部队;它们步伐一致,攻击力特别强。灯光和阳光虽然也含有很多的光子,但都是杂乱无章的,没法形成非常大的攻击力。
因为激光的这种特性,毛主席在1963年的时候曾经说过这样一句话:“死光,要组织一批人专门去研究它。”毛主席把它叫做“死光”,说明这种光肯定有非常独特的一种特性。其实毛主席在一开始鼓励大家做这件事的时候是瞄准激光武器的,1963年的时候毛主席称它为“死光”,而并没有称它为“激光”。
1960年的时候第一台激光器被制造出来了,当时国外给它起了一个名字,叫“laser”。但是国内许多科研工作者给它起的名字五花八门,最后是著名科学家钱学森统一了名称,称之为“激光”。
激光的这些特性到底有什么用呢?我手中的激光笔,距离非常短的时候,它就是一个点,但是我可以把它投射到很远的地方,它仍然保持一个点,而且能量非常集中。这就是利用了激光的方向性好,单色性特别高的特点。
激光还可以用于芯片加工。制作芯片需要光刻机,最高端的光刻机工作原理就是用激光打一个锡液滴,产生极紫外波段的光,然后用透镜聚焦在芯片基板上进行刻蚀,最终制作出高端芯片。
另外,激光也可以用来做激光武器。据相关报道,在一个地基上建立的激光器可以打到数千米之外的橡皮艇上,差不多1分钟之内就可以将其摧毁。激光还可以驱动蛋白质或者细胞进行运动,在生物和医学领域有很多应用。
从1960年第一台激光器发明之后,在一二十年内激光的强度保持平稳,直到CPA技术出现激光的强度才有了飞跃发展。CPA技术就是啁啾脉冲放大技术。这个技术可以把激光的强度瞬间提高很多。科学家找出了一种方法——“一躺解千愁”,让激光在放大之后远远高于种子光的光强。
CPA技术是由Mourou和他的学生Strickland在1985年左右发明的。他们当时发现的CPA技术只是发表在OC(Optics Communications)期刊上,影响因子只有一点几,是一篇非常普通的文章。但是在2018年却获得了诺贝尔物理学奖。这告诉我们,诺贝尔奖并不是那么高深莫测,最重要的是原创性。
超强超短激光有两大特点:第一大特点是超强,激光的强度特别高,光强可以达到1021W/cm2;第二大特点是超短,激光的脉宽特别短,可以达到飞秒量级。激光功率也是非常高的,是全球电网平均功率的4000倍。
世界上许多发达国家都在竞相进行10PW甚至100PW激光器的研制。中科院上海光机所早在2016年就得到了5.3PW的超强超短激光,打破当时的世界纪录。最近,上海市和国家共同投资89亿元的项目,超强超短装置在这里面申请到了6亿元,计划建设100PW的激光。
利用激光器可以进行很多应用,可以利用超强超短激光和薄膜靶加速质子。质子医疗是最重要的应用之一,质子束最大的特点是指哪儿打哪儿,能够有效保留癌症病人健康细胞的数量,从而提升存活概率。
质子束不仅能够进行质子医疗,还可以进行质子束成像。质子束成像是当下探测等离子体中电磁场的唯一方法。激光还可以进行纳米刻蚀,甚至进行天气干预,如激光引雷和激光诱导降雪。
未来发展10PW、100PW的激光器可以进行多方面的研究,尤其是基础物理研究平台,可以研究宇宙中的伽马射线暴、电子加速、撕裂真空实验、暗物质以及太赫兹新辐射源的产生。科研是研究大家认为不可思议的东西,它越不可思议、越匪夷所思就越有价值。