神奇（qí）的激光與等離子體

激光與等離子體技術（shù）越來（lái）越多地應用在7799天天看影视的生活中。本期《大（dà）咖麵對麵（miàn）》7799天天看影视邀請了北京（jīng）科技大學數理學院（yuàn）教授王（wáng）雲良（liáng）老師，為大家介紹神奇的激光（guāng）與等離子體。

問題（tí）一：激光是什麽，與普通的光有（yǒu）什麽區別？

激光這個概念最早是愛因斯坦提出的（de）。1960年（nián），人們製出了第（dì）一台激（jī）光器（qì）。激光的（de）特點是（shì）具有方向性、單色性，並且（qiě）頻率相對單一。

經過一代代科學家（jiā）和技術人員的努力，激光器不斷更新（xīn）換代，無論是（shì）激光強度還是（shì）其他性能都有很（hěn）大的提（tí）升。

現（xiàn）在，激光的強度已（yǐ）經達（dá）到很高水（shuǐ）平，很多實驗室，都能實現10的23次方瓦（wǎ）每平（píng）方厘米的光強。

去年的諾貝爾獎就（jiù）頒給了（le）啁啾脈衝放大技術的提出者Mourou和他的（de）學生。

問題二：什麽（me）是等離子體？

與大家都比（bǐ）較（jiào）熟悉的固體、液體、氣體一樣，等（děng）離子體也是物質存在的一種形式。

如果7799天天看影视把氣體持（chí）續加熱，使氣體溫度不斷升高（gāo），構成氣體的分子就會越來越（yuè）劇烈地運動，並越來（lái）越頻繁地發生碰撞。

當分子的運（yùn）動劇（jù）烈到一定程度時，它（tā）自身無法（fǎ）再承受如此劇烈的運動與如此頻繁（fán）的碰撞，就會（huì）發（fā）生解體，分裂成帶正電和帶負電的幾部分。

由於分子本身是（shì）電中性的，所以分（fèn）裂出的所有帶負電的部分與所有帶正（zhèng）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（shú）悉（xī），是因（yīn）為在地球這個環境當中，自然界存在的等離子體不（bú）是很多。

即便如此，大家也都見過等離子體，極光、日光燈裏都含有（yǒu）大量的（de）等離子體。從更大範圍來說，太陽中也存在大量的等（děng）離子體。

問題三（sān）：人們為什麽要研究激光與等離子的相互作用？

目前（qián），大家研究激光與等離（lí）子體（tǐ）相互作（zuò）用的主要驅動力是激（jī）光對等離子體的慣性約束核聚變。

7799天天看影视的化石（shí）能（néng）源總有一天要枯竭，或者說會（huì）出（chū）現短缺，研（yán）究新的能源技術迫（pò）在眉睫。

慣性約束核聚變的原理是用激光把等離子體約束（shù）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（biàn）。

聚變的原料是氫的同（tóng）位素，可以在海水當中提取，可以說（shuō）是取之不盡用之不（bú）竭。

所以，對於激光與等離子體（tǐ）相互作用的領域，對於科研人員（yuán）來說，最大的（de）研究動力就是激光的慣（guàn）性約束核聚變。

問題四：激光為什麽可以約（yuē）束等離子體？

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

它非常類（lèi）似於氣缸的點火，經過激（jī）光的打靶、燒（shāo）蝕、壓縮，然後點火，進而使核聚變發生，其中，主要利（lì）用了激光高光照強度、高能量（liàng）密度的特性。

利用這（zhè）個原理，人們能夠對稱地壓縮等（děng）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（xiàn）在很多的研究者提（tí）出了其他的壓縮（suō）方案，比如間接驅動，快點火等等（děng）。

問題五：什麽是自由電子激光？

自由電子激（jī）光，是由不斷變速（sù）的電（diàn）子產生的激光。

首先，人們要製造出一束速度（dù）很高，方（fāng）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（gàn）預的情況下，電子束會徑直地往前傳播。如果人（rén）為地加（jiā）上電磁場，在電（diàn）磁場（chǎng）作用下，電子（zǐ）束中的電子就會搖擺起來。

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

電子搖擺的時（shí）候，因為其軌跡改變了，按照傳統的（de）經典（diǎn）電磁學的概念，電子就具有了（le）加速度，有加（jiā）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幹，形成自由電子激光。

問題六：什麽是脈衝激光（guāng）？

脈衝激光是相對於連續激光而言的。脈衝激光每次隻是發射出一個光（guāng）脈（mò）衝，這個光脈衝在空間和時間上都是局（jú）域化的（de）。

脈衝激光在時間上持續得比較短，可能是幾皮秒（miǎo）（一萬億（yì）分之一秒（miǎo））、幾納（nà）秒（miǎo）（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（de）激光，它不是（shì）局域化的。連續激光就好比是一束光（guāng）線，一個光脈（mò）衝，就可以理解成“一團光”。

問題（tí）七：為什麽要研究脈（mò）衝激光？

實際上，做脈衝激光的研究是一個取（qǔ）舍，連續（xù）激光很難達（dá）到非常高（gāo）的強度，所以大家就選擇（zé）研究脈衝激光。

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

所以7799天天看影视經常說的光強，它是一個（gè）功率的概念，提（tí）高（gāo）了功率，才能使光強增大。因此，跟強激（jī）光（guāng）有關的（de）研究領域中出現了一個新的名詞，叫“高（gāo）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（shàng）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範（fàn）圍內（nèi），能在一瞬間（jiān）達到很高的強度。

當然（rán），如果有朝一日，人們的技（jì）術水平提高了，連續（xù）激光也能實現（xiàn）很高（gāo）強度（dù）時，脈衝激光（guāng）可能會失去研究價（jià）值和應（yīng）用價值。

本文出自：北京科學中心