當前，10拍瓦（1拍瓦=1千萬億瓦）級別的激光建設，是世界各國的“兵家必爭之地”。而世界首臺10拍瓦激光實驗裝置就位于我國的浦東張江。

| 激光的原理

激光，原子受激輻射的光。其原理是原子中的電子吸收能量后從低能級躍遷到高能級，再從高能級回落到低能級時，所釋放的能量以光子的形態放出。這些被激射出來的光子，光學特性高度一致，因而激光比較一般光源具有單色性、方向性好，亮度更高的特性。

自1960年第一臺激光器誕生以來，科學家們一向尋求激光強度和功用的更大突破。超強超短激光便是一個典型，它的最大特點是“超強”和“超短”。

?“超強”是指這種激光的峰值功率一般大于1太瓦，這一功率相當于全球悉數發電機一同開動的總功率。

?“超短”是指這種激光持續的時刻很短，達到了飛秒量級，這么短的時間內，激光只能走一根頭發絲粗細的間隔，不只人眼無法辨認，就連光電探頭也無法分辯。

超強超短激光是人類目前已知的最亮光源，其發展已經成為國際科技競爭重大前沿之一。

▏啁啾（zhōu jiū）脈沖擴展技能

目前，取得超強超短激光最基本的辦法，是由2018年諾貝爾物理學獎取得者穆魯和斯特里克蘭發明的啁啾脈沖擴展技能。在激光的擴展進程中，隨著激光能量的添加，激光的脈沖峰值功率會不斷升高，甚至超過激光材料的承受極限，導致材料損壞。啁啾脈沖擴展技能很好地處理了這一難題。

其第一步是用振蕩器產生一個短脈沖并把它拉長，這一過程使脈沖的強度下降，然后就可以用標準的激光放大方法來放大這個脈沖。最后一步則是用一臺結實的裝置(如真空中的一對衍射光柵)將脈沖重新壓縮回它原先的長度，這樣就使它的功率大大提高，超出放大器功率極限的很多倍。

舉例說明，最初的種子脈沖其長度為l00飛秒，能量為0．2納焦耳。我們把它拉長10000倍，使其長度變為1納秒(其功率則從大約2千瓦降低到0．2瓦)。然后把它放大10000個數量級，這樣它的能量就增加到2焦耳，功率增加到2千瓦。把這個脈沖的長度重新壓縮到100飛秒，就使功率增加到20萬億瓦。如果沒有這項技術，讓最初那個功率為2千瓦的脈沖穿過臺式放大器就可能導致放大器被毀。

▏我國的超強超短激光裝置

我國超強超短激光實驗裝置（SULF）有個富有詩意的名字：羲和，這是《山海經》中記載的生下十個太陽的女神。

科研團隊介紹說，“假如地球外面有一個非常大的透鏡，可以把照射在地球上的所有太陽光聚焦在一根頭發絲上，就相當于1個拍瓦能產生的光強，那么10拍瓦就相當于10個太陽的光強。因此，我們把裝置起名為‘羲和’。”

2017年10月24日，裝置實現10.3拍瓦激光放大輸出，在國際上首次實現300焦耳以上能量水平的寬帶激光放大輸出，脈沖壓縮后寬度為21飛秒。2019年12月7日，裝置獲得激光中心波長為800納米，輸出能量404焦耳，重復頻率3分鐘/發次，壓縮后脈沖寬度達24.6飛秒，平均峰值功率11.7拍瓦（最高峰值功率12.9拍瓦）的結果，再次打破世界紀錄。

同時，依托該裝置，科研團隊成功研制了國際最大口徑鈦寶石晶體等核心器件。項目取得的成果，被國際頂尖學術期刊《科學》（Science）列舉為國際上自1960年第一臺激光器發明以來在激光脈沖功率提升方面的取得第五大里程碑式進展。

令人振奮的是，雖然全球都有這方面的科研“競賽”，但我國是首個實現10拍瓦輸出并能向用戶開放的國家。歐盟、美國、韓國等都有類似計劃，歐盟的相關計劃起步較早，雖然近期達到10拍瓦輸出，但還沒有提供物理實驗的能力。

▏超強超短激光的應用

因為強度高、效果時刻短，超強超短激光能夠直接效果到物質的原子、分子層面，這為它的廣泛應用翻開了大門。

?超強激光能夠在試驗室發明只在恒星內部或黑洞邊際才具有的極點條件，例如超強的電磁場、超高的能量密度、超強的光壓等，為研討世界來歷演化和物質互相效果等供給必要條件。

?超強激光還可為醫治癌癥供給“激光質子刀”新計劃，高能質子因為定向堆積可用于靶向醫治癌癥。

?超短激光則在超快光學等范疇大顯神通，科學家通過它能捕捉到十分高速的運動，哪怕是飛秒級的電子運動，也能被清楚地記載。該類激光在較低輸出功率下已被廣泛應用于生物成像、眼科激光手術、精細加工等范疇。

?超強超短激光的光強特別高，穿過空氣時會電離成等離子體，能夠利用它進行氣候干與。隨著激光技能的不斷探索，未來或將能實現激光引雷和激光誘導降雪。

目前，“羲和”激光裝置面向國內外高校、科研機構和企業開放，提供先進的物質科學與生命科學研究手段，已與數十家科研單位簽訂意向協議。質子加速、電子加速、高亮度等離子體高次諧波和阿秒脈沖產生等實驗正在進行中。而裝置的激光條件也吸引了世界上其他地區的科學家，希望利用這臺激光裝置開展聯合研究。

目前，“羲和”已經成為世界上穩定輸出的最高功率激光實驗裝置，未來，科研團隊計劃進一步建設100拍瓦的激光裝置。

（圖片來源于網絡）

作者 | 顧俊哲

計算機科學與技術碩士，畢業后從事網絡信息收集與整理工作，關注大眾科普知識，探索前沿科技。