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大家·科技前沿

MASTERS

馬金貴

上海交通大學教授、仲英青年學者

光的重要性不言而喻。有了太陽光，才有了白晝和五彩斑斕的大自然。一到夜晚，各種人造光源紛紛登場，日光燈驅除黑暗，霓虹燈營造氛圍……而無論白天和黑夜，都有一種人造光源在默默工作中。它很有用，各行各業都有它的身影；它又很低調，人們往往會忽略它的存在——它就是激光。

課堂上，老師手持的激光筆發出的光點在投影屏幕上游走，時刻提示你跟上他的講課進度。超市里，你拿著一瓶飲料掃碼支付時，激光讀取了飲料的條形碼和你的手機付款碼，幫你完成了一次快捷的無人支付。回到家，當你打開電腦瀏覽郵件或者觀看視頻的時候，光纖中的激光將你需要的信息快速傳輸到你的面前。眼睛近視了，不想戴眼鏡，去醫院做近視矯正術，又是激光在助你重拾清晰。工廠里，激光在切割、焊接各種材料，為你制造工藝精湛的手機、汽車……

自1960年第一臺激光器發明以來，激光發展迅速，在應用于各行各業的同時，其自身也在不斷進步：脈沖寬度短至飛秒尺度（1fs = 10-15s），在如此短的時間內光在真空中走的距離還不及一根頭發絲的粗細；峰值功率高達拍瓦量級（1PW = 1015W），相當于全球電網總功率的數百倍；聚焦光強超過1021W/cm2，相當于將地球上接收到的太陽總輻射聚焦到百微米的范圍。這種超短超強激光使得人們可以窺探原子內部的演化行為，可以創造只有在恒星內部或者黑洞邊緣才有的高能量密度物理環境，可以使得《流浪地球》中的可控核聚變成為可能，甚至可以在真空中創造物質。

在描述一些大數或者小數的時候，往往使用科學計數法比較方便，即把此數表示成a×10 n 的形式，其中1≤a<10，n為整數。為了便于文字表述，從n=0開始往正負兩側每三個整數定義一個數量級單位。本文介紹激光參數時，會頻繁用到這些數量級單位

激光的發明和發展

激光被稱為20世紀人類的四大發明之一（另外三個分別是原子能、半導體和計算機），它是量子力學發展的產物。談到激光，就不得不提及原子的結構和能級。原子由一個原子核和若干電子構成，電子繞核運動。人們長期認為電子的能量是連續的，但后來發現并不是這樣。1913年，丹麥物理學家尼爾斯·玻爾提出了至今仍被廣泛認可的原子模型：

電子在一些特定軌道上繞核運動，離核越遠能量越高；電子在這些可能的軌道上運動時，原子不釋放能量也不吸收能量；當電子從一個軌道（能量E1）躍遷到另一個軌道（能量E2）時，原子會發射（E1>E2時）或吸收（E1 2時） 能量為ΔE=|E1?E2|的光子；發射或吸收的光子頻率ν由公式ΔE=hν決定，其中普朗克常數h=6.626×10?34 J · s。

原子的能級結構以及受激吸收和受激輻射原理示意圖

在原子的玻爾模型提出后不久，愛因斯坦于1916年提出了受激輻射的概念。在某種泵浦下（比如光泵浦或者電泵浦），原子中的粒子（即電子）會從低能級E1躍遷到高能級E2；處在高能級的粒子，當受到外來的能量為hν=E2?E1的光子激發時，會躍遷至低能級同時輻射一個與激發光子全同的光子，這就是受激輻射。當處于高能態的粒子數足夠多的時候，受激輻射發出的光子數會遠遠超過入射的激發光子數，形成受激輻射光放大（LASER），這就是激光。

要實現穩定的受激輻射輸出，需要滿足粒子數反轉的條件，即激發態粒子數多于基態粒子數。然而正常狀態下受激吸收和受激發射的概率是相同的，再考慮到激發態粒子的自發輻射，這使得激發態的粒子數往往少于基態粒子數。

直到1954年，美國物理學家查爾斯·湯斯巧妙利用磁場將處于激發態的氨分子與基態氨分子分離，只將激發態的氨分子注入諧振腔中，實現了粒子數反轉，制成了微波激射器（MASER），其波長為1.25cm。在同一時期，蘇聯的兩位科學家尼古拉·巴索夫和亞歷山大·普羅霍羅夫也獨立研制了MASER。為此，湯斯、巴索夫和普羅霍羅夫三人共同獲得了1964年的諾貝爾物理學獎。

MASER問世后，科學家開始競相研制光頻段的LASER。1960年，劃時代的事件到來了，當時在美國休斯實驗室工作的西奧多·梅曼制成了世界上第一臺真正意義上的激光器LASER。梅曼采用紅寶石棒作為激光增益介質，晶體兩端鍍銀膜形成諧振腔（只在一側留有小孔便于激光出射），晶體側面采用螺旋形氙燈進行泵浦。

至此，構成激光器的三大要素（增益介質、諧振腔和泵浦源）全部具備了。1960年5月16日下午，隨著氙燈電壓的增加，一束紅光（波長為694.3nm）從紅寶石棒一端的小孔中出射，第一臺激光器就此誕生。

激光器基本結構示意圖

在世界第一臺激光器誕生以前，我國已經開展了激光器的設計和研制工作。1961年，王之江院士成功研制了我國第一臺紅寶石激光器。與梅曼的紅寶石激光器相比，王院士設計的紅寶石激光器采用了一種能量轉換效率更高的構型。不久以后，我國第一臺氦氖激光器（1963年）、第一臺釹玻璃激光器（1963年）、第一臺半導體激光器（1963年）、第一臺二氧化碳激光器（1965年）等各類新型激光器如雨后春筍般不斷涌現。直至今天，我國的激光技術水平仍然處于世界前列。

第一臺微波激射器（左）、第一臺激光器（中）和中國第一臺激光器（右）

激光的出現、發展和應用是基礎研究推動技術進步的典范。反過來，激光又因其獨特而強大的性能成為人類開展基礎研究的利器，眾多科學家利用激光做出了開創性工作，其中多人獲得諾貝爾物理學獎或化學獎。同時，激光走出實驗室，在很多領域取得應用，引發了產業革命。當前，激光產業鏈非常龐大，從上游的材料、元器件、機械、數控、電源等，到中游的各種類型的激光器，再到下游的各種激光的應用，整個行業的產值已經達到數千億元的規模，成為發展新質生產力和支撐科技強國建設的重要力量。

如何產生超短超強激光

超短超強激光，顧名思義就是脈沖時間超短、峰值功率和強度超高的激光。超短超強激光的發展，一方面源于科學家自身研究興趣的內在驅動，另一方面源于外部應用的需求牽引。

由于激光的峰值功率P等于脈沖能量E與脈沖時間t的比值（P= E/t），因此提高脈沖峰值功率P的有效途徑之一就是減小脈沖的時間寬度t。如何讓一個連續運行的激光器變成脈沖運行呢？

要形成激光，前提是要有泵浦源和增益介質提供的增益；同時，激光振蕩腔內還有元件吸收、反射等造成的損耗。只有當增益大于損耗的時候，激光才會有凈輸出。這啟示我們可以通過調節腔內損耗將一個連續運行的激光器變成脈沖運行。就像一個手電筒，通過控制開關不斷地閉合與斷開，可以將出射光束變成脈沖發射。這就是調Q技術。調Q本質上是調節的腔內損耗，其中Q是英文單詞Quality的首字母，代表激光腔的品質因子，與腔內損耗成反比。

激光調Q原理示意圖

調Q技術主要有兩種。

一種是主動調Q，就是在激光腔里面增加一個電光或者聲光開關，通過外部的電壓或者聲場的變化來主動調節腔內損耗，類似我們上面說的手電筒的開關，需要外部干預。

另一種是被動調Q，常用的方法是在腔內插入一個可飽和吸收體。這個可飽和吸收體具有一種神奇的本領：吸收弱光卻對強光透明。在泵浦初期，腔內損耗大，無法形成激光振蕩；當工作物質的反轉粒子數超過一定閾值時，可飽和吸收體對光的損耗銳減，此時腔內增益大于損耗，實現脈沖激光輸出。可飽和吸收體工作時不需要外部干預，因此是一種“被動式”調Q。

通過調Q技術，激光振蕩器可以直接輸出納秒寬度的脈沖，峰值功率可以達到兆瓦量級。如何進一步縮短脈沖寬度呢？激光工程師解析調Q輸出的脈沖，發現里面包括很多不同頻率的自由振蕩模式（縱模）。如果設法能鎖定這些模式，那么它們之間的干涉就會形成比調Q脈沖更短的脈沖，這就是鎖模。鎖定的模式越多，輸出的脈沖越短。基于克爾透鏡鎖模技術的鈦寶石激光器，最短的輸出脈寬可以短至5fs，被廣泛用于研究各種超快現象。

調Q和鎖模技術均是在20世紀60年代初期發明的。應用這兩種技術的超短激光的峰值功率很快達到兆瓦-吉瓦水平。然而在隨后很長的一段時間內，激光的峰值功率并沒有得到顯著提升，這是由于此時的激光強度已經接近了增益介質的損傷閾值，很難再對脈沖激光繼續放大。

這種情況一直持續到1985年才被打破。彼時還在美國羅切斯特大學工作的杰拉德·莫羅與他的研究生唐娜·斯特里克蘭一起提出了一種巧妙的啁啾脈沖放大（CPA）方法：先將飛秒脈沖利用色散展寬成脈寬較長的納秒脈沖，然后注入增益介質進行放大，最后重新壓縮回飛秒脈沖，這樣就實現了對飛秒脈沖進行放大的同時不會破壞增益介質。展寬的脈沖在不同的時間具有不同的頻率，如果將其看作音頻的話，它就類似一段婉轉動聽的鳥叫聲，因此將這種脈沖稱作啁啾脈沖。

啁啾脈沖放大（CPA）原理示意圖

CPA技術解決了超短脈沖的放大問題，使得激光脈沖的峰值功率得以快速提升。1996年，美國利弗莫爾國家實驗室研制了世界上第一臺釹玻璃拍瓦激光器諾瓦（Nova）。自此以后，超短超強激光進入了蓬勃發展期。截至目前，世界上已經建成了數十套不同類型的拍瓦激光裝置，既有基于釹玻璃或鈦寶石增益介質的拍瓦激光，又有基于非線性頻率轉換的光參量啁啾脈沖放大（OPCPA）型拍瓦激光。其中我國上海張江的“羲和”裝置在國際上率先達到10PW，幾年后歐洲的極端光設施（ELI）工程也建成了10PW激光裝置，它們代表著當前強激光的最高峰值功率水平。

上海張江“羲和”10PW激光裝置

現代光學實驗室一角

2018年諾貝爾物理學獎的一半獎金授予了CPA技術的發明者——法國科學家杰拉德·莫羅和加拿大科學家唐娜·斯特里克蘭，以表彰他們對超短超強激光領域的奠基性貢獻。

超短超強激光有什么用

隨著調Q、鎖模、CPA等技術的出現，激光的峰值功率和聚焦強度快速增長，使得人們可以研究不同強場區域的新奇物理現象。超短超強激光具有“超快”和“超強”兩個基本屬性，在很多領域發揮了不可替代的作用。

超短激光脈沖可以作為觀測超快過程的探針。百米賽跑，利用高速相機才能拍攝到運動員撞線時誰先誰后。如果要觀測更快的事件，比如化學反應過程，就需要“相機”的快門時間短至飛秒量級，飛秒脈沖恰好提供了所需的超高速分辨能力。艾哈邁德 · 澤維爾就是利用超快激光研究化學反應中化學鍵的斷裂和形成過程的先驅，開創了“飛秒化學”這一嶄新領域，獲得1999年諾貝爾化學獎。

伴隨著超短脈沖激光的出現，在泵浦-探測技術的基礎上，衍生出了應用于原子分子尺度微觀世界研究的超快電子衍射技術：首先由飛秒激光（泵浦）激發樣品的動力學過程，隨后利用電子束（探測）記錄某一時刻原子的位置信息；改變電子束與激光的延時，記錄不同延時的原子位置信息，最終可以將不同時刻的原子信息結合起來形成原子電影，完整再現原子尺度超快動力學的全過程。

超快電子衍射拍攝原子分子電影

人們不禁要問：還有沒有比飛秒脈沖更短的探針？由于原子內部電子的運動特征時間是阿秒量級（內殼層電子繞核一周的時間約為150as），如果能產生阿秒脈沖，那么我們就可以將研究視線深入原子內部。為此，科學家利用飛秒脈沖驅動氣體的高次諧波產生過程，產生了阿秒脈沖。2023年諾貝爾物理學獎授予美國科學家皮埃爾·阿戈斯蒂尼、德國科學家費倫茨·克勞斯和法國/瑞典科學家安妮·呂利耶，以表彰他們“開發了產生阿秒光脈沖的實驗方法，用于研究物質中的電子動力學”。

強激光可以將原子的外層電子電離出來，變為自由電子。電離后的原子核和自由電子會組成一團微觀帶電但宏觀電中性的物質，這就是物理學中所謂的“等離子體”（太陽就是一個超級大的等離子體火球）。

激光等離子體應用廣泛，比如強激光激發空氣產生的等離子體通道可以用來引雷，再比如光刻機利用強激光激發液錫等離子體過程產生極紫外光來刻蝕芯片。另外，利用強激光等離子體還可以將帶電粒子（比如電子、質子和重離子）加速到很高的能量，加速梯度比傳統加速器高2～3個數量級，可實現加速器小型化。值得一提的是，激光等離子體加速器產生的高能質子刀和重離子刀有望應用于腫瘤的放療，大幅降低診療費用，惠及更多患者。

激光等離子體引雷，圖片來自《科學美國人》（Scientific American）

上面講的都是利用激光與物質相互作用產生的一些新奇的現象和應用。超快激光還可以對材料本身進行加工。與連續激光或長脈沖激光利用光熱效應加工材料不同，超快激光是利用強場效應來加工材料，精度更高，質量更好，整個過程不產生熱，屬于“冷加工”。目前超快微納加工已被廣泛用于航空航天、生物醫療、新能源和新材料等高精尖領域，比如治療近視的全飛秒激光手術，正是利用飛秒激光切削角膜來校正視力的。對于透明材料，超快激光還可以在其內部制備三維結構，而不損壞表面。

飛秒激光（a）和納秒激光（b）打孔的區別，圖片來自《光：科學與應用》（Light: Science & Applications）

美國國家點火裝置內部結構一覽

強激光可以在地球上創造類似恒星內部或者黑洞邊緣的高能量密度物理狀態，因此在實驗室天體物理和激光聚變等方面具有重要應用。作為“人造小太陽”，實現可控激光聚變一直是人類的夢想，是應對人類能源危機的終極解決方案之一。激光發明后不久，很多科學家前瞻性地提出了利用強激光實現受控核聚變的設想，其中包括蘇聯科學家巴索夫和我國科學家王淦昌。現在世界上已經造出了多套激光聚變驅動器，比如美國國家點火裝置（NIF）、法國兆焦耳激光裝置（LMJ）和我國“神光”系列激光裝置。

2022年底，NIF正式宣布實現了靶增益點火，即聚變燃料釋放能量比驅動激光的能量要大（G>1）。這是人類科學史上里程碑式的成就，證實了利用強激光實現可控核聚變的科學可行性。科學家正朝著下一個里程碑G>30努力，一旦突破，就意味著激光聚變具備了商業化應用的前景。

事實上，聚變本質上還是物質產生能量，激光只是起到點火的作用。這不禁讓人思考，有沒有可能反過來，利用能量產生物質呢？美國諾貝爾物理學獎獲得者朱利安·施溫格于1951年預言，如果激光強度超過1028W/cm2，那么就足以激發真空，將真空中的量子漲落轉變成真實的正負粒子對，從而“無中生有”，從真空中產生物質 。雖然目前的激光強度還遠遠達不到真空光強的施溫格極限，但不妨礙科學家仍在為之不斷努力。

結 語

為什么要加強基礎研究？激光的發展歷史給了我們最好的答案。量子物理基礎研究是激光得以發明的前提條件。除了物理學家，我們也需要發明家和企業家，將物理發現轉換成產品發明，最終轉換成新質生產力。當前，激光在各行業和各領域發揮著愈發重要的作用，同時激光本身也具有強大的生命力，一直在不斷發展進步。超短超強激光代表著激光發展的前沿，可以創造無限可能。

未來，超短超強激光將往強度更高、品質更好、波長更豐富、調控能力更強以及脈沖重復頻率更高等方向發展，希望更多的青年能夠投身于超短超強激光的研究和實踐當中，為建設科技強國作出貢獻。

-本文刊載于《世界科學》雜志2025年第3期“大家·科技前沿”欄目；文章根據筆者在上海市科學技術普及志愿者協會主辦的“海上科普講壇”上的報告撰寫而成-

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