神奇的激光与等离子体

激光与等离子体技术越来越多地应用在我们的生活中。本期《大咖面对面》我们邀请了北京科技大学数理学院教授王云良老师，为大家介绍神奇的激光与等离子体。

问题一：激光是什么，与普通的光有什么区别？

激光这个概念最早是爱因斯坦提出的。1960年，人们制出了第一台激光器。激光的特点是具有方向性、单色性，并且频率相对单一。

经过一代代科学家和技术人员的努力，激光器不断更新换代，无论是激光强度还是其他性能都有很大的提升。

现在，激光的强度已经达到很高水平，很多实验室，都能实现10的23次方瓦每平方厘米的光强。

去年的诺贝尔奖就颁给了啁啾脉冲放大技术的提出者Mourou和他的学生。

问题二：什么是等离子体？

与大家都比较熟悉的固体、液体、气体一样，等离子体也是物质存在的一种形式。

如果我们把气体持续加热，使气体温度不断升高，构成气体的分子就会越来越剧烈地运动，并越来越频繁地发生碰撞。

当分子的运动剧烈到一定程度时，它自身无法再承受如此剧烈的运动与如此频繁的碰撞，就会发生解体，分裂成带正电和带负电的几部分。

由于分子本身是电中性的，所以分裂出的所有带负电的部分与所有带正电的部分各自带的总电量是相等的，故称为“等”离子体。

大家对等离子体不熟悉，是因为在地球这个环境当中，自然界存在的等离子体不是很多。

即便如此，大家也都见过等离子体，极光、日光灯里都含有大量的等离子体。从更大范围来说，太阳中也存在大量的等离子体。

问题三：人们为什么要研究激光与等离子的相互作用？

目前，大家研究激光与等离子体相互作用的主要驱动力是激光对等离子体的惯性约束核聚变。

我们的化石能源总有一天要枯竭，或者说会出现短缺，研究新的能源技术迫在眉睫。

惯性约束核聚变的原理是用激光把等离子体约束到高温、高压、高密度的狭小空间内，使得等离子体中的原子核相互碰撞、聚合，发生核聚变，释放大量的能量。

聚变没有核辐射，相对来讲，是非常清洁的能源，太阳之所以能发光发热正是因为其内部不断发生着核聚变。

聚变的原料是氢的同位素，可以在海水当中提取，可以说是取之不尽用之不竭。

所以，对于激光与等离子体相互作用的领域，对于科研人员来说，最大的研究动力就是激光的惯性约束核聚变。

问题四：激光为什么可以约束等离子体？

激光约束等离子体的概念最早是由我们国家，还有苏联的科学家，相对独立提出的。

它非常类似于气缸的点火，经过激光的打靶、烧蚀、压缩，然后点火，进而使核聚变发生，其中，主要利用了激光高光照强度、高能量密度的特性。

利用这个原理，人们能够对称地压缩等离子体，使核聚变在很小的空间内发生。

当然，这种方法在技术上相对难以实现，所以现在很多的研究者提出了其他的压缩方案，比如间接驱动，快点火等等。

问题五：什么是自由电子激光？

自由电子激光，是由不断变速的电子产生的激光。

首先，人们要制造出一束速度很高，方向性很好，不发散的电子，最好电子的能谱也比较唯一，也就是说，电子束中每个电子的速度比较接近。

没有人为干预的情况下，电子束会径直地往前传播。如果人为地加上电磁场，在电磁场作用下，电子束中的电子就会摇摆起来。

比如，在电子束经过的路径上加一个磁铁，电子束就能够在磁铁产生的磁场作用下，上下摇摆和左右摇摆。

电子摇摆的时候，因为其轨迹改变了，按照传统的经典电磁学的概念，电子就具有了加速度，有加速度后，电子就会产生辐射，这个辐射满足一定条件时就会相干，形成自由电子激光。

问题六：什么是脉冲激光？

脉冲激光是相对于连续激光而言的。脉冲激光每次只是发射出一个光脉冲，这个光脉冲在空间和时间上都是局域化的。

脉冲激光在时间上持续得比较短，可能是几皮秒（一万亿分之一秒）、几纳秒（十亿分之一秒），甚至几飞秒（一千万亿分之一秒）。

而连续辐射的激光，它不是局域化的。连续激光就好比是一束光线，一个光脉冲，就可以理解成“一团光”。

问题七：为什么要研究脉冲激光？

实际上，做脉冲激光的研究是一个取舍，连续激光很难达到非常高的强度，所以大家就选择研究脉冲激光。

如果把脉冲的时间压缩得非常短，短到飞秒，甚至有可能到阿秒（一百亿亿分之一秒），那么激光的功率就会提高，相比连续激光更容易实现较高的强度。

所以我们经常说的光强，它是一个功率的概念，提高了功率，才能使光强增大。因此，跟强激光有关的研究领域中出现了一个新的名词，叫“高能量密度”。

所谓“高能量密度”就是把脉冲光聚焦在空间中比较小的一个范围内，在持续时间上也不断缩短。

因此，激光的全部能量就集中在了很小的空间与时间范围内，能在一瞬间达到很高的强度。

当然，如果有朝一日，人们的技术水平提高了，连续激光也能实现很高强度时，脉冲激光可能会失去研究价值和应用价值。

本文出自：北京科学中心