神奇（qí）的激光與等離子體

激光與等離子體技術越來越多（duō）地應（yīng）用在7799天天看影视的生（shēng）活中。本期《大咖麵對麵（miàn）》7799天天看影视邀請了北京科技大學數理學院教授王雲良（liáng）老師，為大家介紹神奇的激光與（yǔ）等離子體。

問題（tí）一：激光是（shì）什麽，與普通的光有什麽區別？

激光這個概念最早是愛因斯坦提（tí）出的。1960年，人（rén）們製出（chū）了第一台激光器。激光的特點是具有（yǒu）方向性、單色（sè）性，並且頻率相對單一。

經（jīng）過一代代科學家和技術人員的努力，激光器不斷更新（xīn）換代，無論是激光強度還是其他性能都（dōu）有很（hěn）大的提升。

現在（zài），激光的強（qiáng）度已經達到很高水平，很多實驗室，都（dōu）能實（shí）現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（jiū）脈衝放大技術的提出者Mourou和他（tā）的學生。

問題（tí）二：什麽是等離子體？

與大家都比較熟悉的固體、液體、氣體一樣，等離（lí）子體也是物質存在的一種形式。

如果（guǒ）7799天天看影视把氣體（tǐ）持續加熱，使氣體溫度（dù）不斷升高，構成（chéng）氣（qì）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（zǐ）的運動劇烈到（dào）一定程度時（shí），它自身無法再承受如此劇烈的運動（dòng）與如此頻繁（fán）的碰撞，就會發生解（jiě）體，分裂成帶正電和（hé）帶負電的幾部分。

由於分（fèn）子本身是電中（zhōng）性的，所以分裂（liè）出的（de）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（děng）”離（lí）子體。

大家（jiā）對等（děng）離子體不熟悉，是因為在地球這個環境當中，自然界（jiè）存在的（de）等離子體（tǐ）不是很多。

即便如此，大（dà）家也都見過等離（lí）子體，極光、日光燈裏都（dōu）含有大（dà）量的等離子體。從更（gèng）大範圍來說，太陽中也存在大量的等離子體（tǐ）。

問題三：人們為什麽要研究激光與等離子的相互作用？

目前，大家研究激光與等離子體相互作用的主要（yào）驅動力是激光對等（děng）離子體的慣性約束核聚變。

我（wǒ）們的化石能（néng）源總有一天要（yào）枯（kū）竭，或者說會（huì）出現短缺，研究新的能源（yuán）技術迫在眉睫。

慣性（xìng）約束核（hé）聚變的原理是用激光把等離子體（tǐ）約束（shù）到高溫、高壓、高（gāo）密度的（de）狹（xiá）小空（kōng）間（jiān）內，使得等離子體中的原子核相（xiàng）互碰撞、聚合，發生核聚變，釋放大量（liàng）的能量。

聚變（biàn）沒有核輻射，相對（duì）來（lái）講（jiǎng），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（yuán）料是氫的同位素，可以在海水當中提取，可以說是取之不盡（jìn）用之不竭。

所以，對於激光（guāng）與等離子體相互作用的領域，對（duì）於科研人（rén）員來說，最大的研究動力就是（shì）激光的慣性約束核聚（jù）變（biàn）。

問題四：激光為什麽可以約束等離子體？

激光約束等離子體的概念最早是由（yóu）7799天天看影视國家，還有蘇聯的科學（xué）家，相（xiàng）對（duì）獨立提出的。

它非常類（lèi）似（sì）於氣缸的點火，經過（guò）激光的打靶、燒蝕、壓縮，然後點火，進而使核（hé）聚變發生（shēng），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，人們能夠對稱地壓（yā）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（yǐ）實現（xiàn），所以現在（zài）很多的研究者提出了其他的壓縮方案，比如間接驅動，快（kuài）點火等等（děng）。

問題五：什麽是自由電子激光？

自由電子激（jī）光，是（shì）由不斷變速的電子產生（shēng）的激（jī）光。

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

沒（méi）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（shù）中的電子（zǐ）就會搖擺起來。

比如，在（zài）電子束經過的路徑（jìng）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（hé）左右搖擺。

電子（zǐ）搖（yáo）擺的時（shí）候，因為其軌跡改變了，按照傳統的經典（diǎn）電磁學的概念，電子就具有了加速度，有加速度（dù）後，電子就會產生輻射，這個輻射滿足一定條件時就會相幹，形成自由電子激光。

問題六：什麽是脈衝激光？

脈衝激（jī）光是相對於連（lián）續激光而言（yán）的。脈衝激光每次隻（zhī）是（shì）發射（shè）出一（yī）個光脈衝，這個（gè）光脈衝在空間和時間上都是局（jú）域化的。

脈衝（chōng）激光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（miǎo）（十億分之一（yī）秒），甚至幾飛秒（一千萬億分之一（yī）秒）。

而連續輻射的激光，它不是局域化的。連續激光就好比是一束光線，一個（gè）光脈衝，就可以理解成“一團光”。

問題七（qī）：為什麽要研究脈衝激光？

實際上，做脈衝激光的研究是一個取舍，連（lián）續激光很難達（dá）到非常高的強度，所以大家就選擇研究脈衝激光。

如果把脈衝的時間壓縮得非常短，短到飛秒，甚至（zhì）有可能到阿（ā）秒（一百億億分之一秒），那麽激（jī）光的功率就會提高，相比連續（xù）激光更容易實現較高的強（qiáng）度。

所以7799天天看影视經常說的光強，它是一個功率的概念，提高了功率，才能使光強增大。因此，跟強激光有（yǒu）關的研究領（lǐng）域中出現了一個新的名詞（cí），叫“高能量密度”。

所謂“高能量密度”就是把（bǎ）脈衝（chōng）光聚（jù）焦在空間中比較小的一（yī）個範圍內，在持續時間上也不斷縮短。

因此，激光的（de）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（yǒu）朝（cháo）一日，人們的技術水平提高了，連續激光也（yě）能實現很高強度時，脈衝激光可能會失去研究價值和（hé）應用價值。

本文出自：北京科學中心