神奇的雷射與等離子體

雷射與等離子體技術越來越多地應用在我們的生活中。本期《大咖面對面》我們邀請了北京科技大學數理學院教授王雲良老師，為大家介紹神奇的雷射與等離子體。

問題一：雷射是什麼，與普通的光有什麼區別？

雷射這個概念最早是愛因斯坦提出的。1960年，人們制出了第一臺雷射器。雷射的特點是具有方向性、單色性，並且頻率相對單一。

經過一代代科學家和技術人員的努力，雷射器不斷更新換代，無論是雷射強度還是其他性能都有很大的提升。

現在，雷射的強度已經達到很高水平，很多實驗室，都能實現10的23次方瓦每平方釐米的光強。

去年的諾貝爾獎就頒給了啁啾脈衝放大技術的提出者Mourou和他的學生。

問題二：什麼是等離子體？

與大家都比較熟悉的固體、液體、氣體一樣，等離子體也是物質存在的一種形式。

如果我們把氣體持續加熱，使氣體溫度不斷升高，構成氣體的分子就會越來越劇烈地運動，並越來越頻繁地發生碰撞。

當分子的運動劇烈到一定程度時，它自身無法再承受如此劇烈的運動與如此頻繁的碰撞，就會發生解體，分裂成帶正電和帶負電的幾部分。

由於分子本身是電中性的，所以分裂出的所有帶負電的部分與所有帶正電的部分各自帶的總電量是相等的，故稱為「等」離子體。

大家對等離子體不熟悉，是因為在地球這個環境當中，自然界存在的等離子體不是很多。

即便如此，大家也都見過等離子體，極光、日光燈裡都含有大量的等離子體。從更大範圍來說，太陽中也存在大量的等離子體。

問題三：人們為什麼要研究雷射與等離子的相互作用？

目前，大家研究雷射與等離子體相互作用的主要驅動力是雷射對等離子體的慣性約束核聚變。

我們的化石能源總有一天要枯竭，或者說會出現短缺，研究新的能源技術迫在眉睫。

慣性約束核聚變的原理是用雷射把等離子體約束到高溫、高壓、高密度的狹小空間內，使得等離子體中的原子核相互碰撞、聚合，發生核聚變，釋放大量的能量。

聚變沒有核輻射，相對來講，是非常清潔的能源，太陽之所以能發光發熱正是因為其內部不斷發生著核聚變。

聚變的原料是氫的同位素，可以在海水當中提取，可以說是取之不盡用之不竭。

所以，對於雷射與等離子體相互作用的領域，對於科研人員來說，最大的研究動力就是雷射的慣性約束核聚變。

問題四：雷射為什麼可以約束等離子體？

雷射約束等離子體的概念最早是由我們國家，還有蘇聯的科學家，相對獨立提出的。

它非常類似於氣缸的點火，經過雷射的打靶、燒蝕、壓縮，然後點火，進而使核聚變發生，其中，主要利用了雷射高光照強度、高能量密度的特性。

利用這個原理，人們能夠對稱地壓縮等離子體，使核聚變在很小的空間內發生。

當然，這種方法在技術上相對難以實現，所以現在很多的研究者提出了其他的壓縮方案，比如間接驅動，快點火等等。

問題五：什麼是自由電子雷射？

自由電子雷射，是由不斷變速的電子產生的雷射。

首先，人們要製造出一束速度很高，方向性很好，不發散的電子，最好電子的能譜也比較唯一，也就是說，電子束中每個電子的速度比較接近。

沒有人為幹預的情況下，電子束會徑直地往前傳播。如果人為地加上電磁場，在電磁場作用下，電子束中的電子就會搖擺起來。

比如，在電子束經過的路徑上加一個磁鐵，電子束就能夠在磁鐵產生的磁場作用下，上下搖擺和左右搖擺。

電子搖擺的時候，因為其軌跡改變了，按照傳統的經典電磁學的概念，電子就具有了加速度，有加速度後，電子就會產生輻射，這個輻射滿足一定條件時就會相干，形成自由電子雷射。

問題六：什麼是脈衝雷射？

脈衝雷射是相對於連續雷射而言的。脈衝雷射每次只是發射出一個光脈衝，這個光脈衝在空間和時間上都是局域化的。

脈衝雷射在時間上持續得比較短，可能是幾皮秒（一萬億分之一秒）、幾納秒（十億分之一秒），甚至幾飛秒（一千萬億分之一秒）。

而連續輻射的雷射，它不是局域化的。連續雷射就好比是一束光線，一個光脈衝，就可以理解成「一團光」。

問題七：為什麼要研究脈衝雷射？

實際上，做脈衝雷射的研究是一個取捨，連續雷射很難達到非常高的強度，所以大家就選擇研究脈衝雷射。

如果把脈衝的時間壓縮得非常短，短到飛秒，甚至有可能到阿秒（一百億億分之一秒），那麼雷射的功率就會提高，相比連續雷射更容易實現較高的強度。

所以我們經常說的光強，它是一個功率的概念，提高了功率，才能使光強增大。因此，跟強雷射有關的研究領域中出現了一個新的名詞，叫「高能量密度」。

所謂「高能量密度」就是把脈衝光聚焦在空間中比較小的一個範圍內，在持續時間上也不斷縮短。

因此，雷射的全部能量就集中在了很小的空間與時間範圍內，能在一瞬間達到很高的強度。

當然，如果有朝一日，人們的技術水平提高了，連續雷射也能實現很高強度時，脈衝雷射可能會失去研究價值和應用價值。