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神奇的激光與等離子體
激光與等離子體技術(shù)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(shù)理學院教授王云良老師，為大家介紹神奇的激光與等離子體。
問題一：激光是什么，與普通的光有什么區(qū)別？
激光這個概念最早是愛因斯坦提出的。1960年，人們制出了第一臺激光器。激光的特點是具有方向性、單色性，并且頻率相對單一。
經(jīng)過一代代科學家和技術(shù)人員的努力，激光器不斷更新?lián)Q代，無論是激光強度還是其他性能都有很大的提升。
現(xiàn)在，激光的強度已經(jīng)達到很高水平，很多實驗室，都能實現(xiàn)10的23次方瓦每平方厘米的光強。
去年的諾貝爾獎就頒給了啁啾脈沖放大技術(shù)的提出者Mourou和他的學生。
問題二：什么是等離子體？
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(zhì)存在的一種形式。
如果我們把氣體持續(xù)加熱，使氣體溫度不斷升高，構(gòu)成氣體的分子就會越來越劇烈地運動，并越來越頻繁地發(fā)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(fā)生解體，分裂成帶正電和帶負電的幾部分。
由于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(huán)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、日光燈里都含有大量的等離子體。從更大范圍來說，太陽中也存在大量的等離子體。
問題三：人們?yōu)槭裁匆芯考す馀c等離子的相互作用？
目前，大家研究激光與等離子體相互作用的主要驅(qū)動力是激光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(xiàn)短缺，研究新的能源技術(shù)迫在眉睫。
慣性約束核聚變的原理是用激光把等離子體約束到高溫、高壓、高密度的狹小空間內(nèi)，使得等離子體中的原子核相互碰撞、聚合，發(fā)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(fā)光發(fā)熱正是因為其內(nèi)部不斷發(fā)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，對于激光與等離子體相互作用的領(lǐng)域，對于科研人員來說，最大的研究動力就是激光的慣性約束核聚變。
問題四：激光為什么可以約束等離子體？
激光約束等離子體的概念最早是由我們國家，還有蘇聯(lián)的科學家，相對獨立提出的。
它非常類似于氣缸的點火，經(jīng)過激光的打靶、燒蝕、壓縮，然后點火，進而使核聚變發(fā)生，其中，主要利用了激光高光照強度、高能量密度的特性。
利用這個原理，人們能夠?qū)ΨQ地壓縮等離子體，使核聚變在很小的空間內(nèi)發(fā)生。
當然，這種方法在技術(shù)上相對難以實現(xiàn)，所以現(xiàn)在很多的研究者提出了其他的壓縮方案，比如間接驅(qū)動，快點火等等。
問題五：什么是自由電子激光？
自由電子激光，是由不斷變速的電子產(chǎn)生的激光。
首先，人們要制造出一束速度很高，方向性很好，不發(fā)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。
沒有人為干預的情況下，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(jīng)過的路徑上加一個磁鐵，電子束就能夠在磁鐵產(chǎn)生的磁場作用下，上下?lián)u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(tǒng)的經(jīng)典電磁學的概念，電子就具有了加速度，有加速度后，電子就會產(chǎn)生輻射，這個輻射滿足一定條件時就會相干，形成自由電子激光。
問題六：什么是脈沖激光？
脈沖激光是相對于連續(xù)激光而言的。脈沖激光每次只是發(fā)射出一個光脈沖，這個光脈沖在空間和時間上都是局域化的。
脈沖激光在時間上持續(xù)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(xù)輻射的激光，它不是局域化的。連續(xù)激光就好比是一束光線，一個光脈沖，就可以理解成“一團光”。
問題七：為什么要研究脈沖激光？
實際上，做脈沖激光的研究是一個取舍，連續(xù)激光很難達到非常高的強度，所以大家就選擇研究脈沖激光。
如果把脈沖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），那么激光的功率就會提高，相比連續(xù)激光更容易實現(xiàn)較高的強度。
所以我們經(jīng)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，跟強激光有關(guān)的研究領(lǐng)域中出現(xiàn)了一個新的名詞，叫“高能量密度”。
所謂“高能量密度”就是把脈沖光聚焦在空間中比較小的一個范圍內(nèi)，在持續(xù)時間上也不斷縮短。
因此，激光的全部能量就集中在了很小的空間與時間范圍內(nèi)，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(shù)水平提高了，連續(xù)激光也能實現(xiàn)很高強度時，脈沖激光可能會失去研究價值和應用價值。
本文出自：北京科學中心
