诺贝尔物理学奖何以相中啁啾脉冲放大技术?

时间:2018-10-17 12:27来源:OFweek激光网作者:Jucy 点击:
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摘要:自1960年,梅曼制造出世界首台红宝石固态 激光器 , 激光 技术便开始快速渗入物理、化学、生物医疗等众多研究领域,进而对大众日常生活的许多方面带来深刻影响。 激光领域摘得2018诺贝尔物理学奖 随着相关技术的不断发展,激光早已不再局限于切割、焊接、表面热处理这类材料加工领域,以激光内雕、激光清洗、超快激光为代表的众多新型技术和应用不断涌现,激光开始向

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自1960年,梅曼制造出世界首台红宝石固态激光器激光技术便开始快速渗入物理、化学、生物医疗等众多研究领域,进而对大众日常生活的许多方面带来深刻影响。

激光领域摘得2018诺贝尔物理学奖

随着相关技术的不断发展,激光早已不再局限于切割、焊接、表面热处理这类材料加工领域,以激光内雕、激光清洗、超快激光为代表的众多新型技术和应用不断涌现,激光开始向越来越多领域渗透。目前,围绕着激光技术已经形成一个超过百亿美元规模的全球化产业,全球各国均将激光技术作为提高生产率和国际竞争力的重要技术手段。

2018年10月2号,在瑞典皇家科学院的主导下,诺贝尔物理学奖正式揭晓。美国物理学家阿瑟·阿什金(Arthur Ashkin)、法国物理学家杰哈·莫罗(Gérard Mourou)和加拿大物理学家唐娜·斯崔克兰(Donna Strickland)凭借在激光领域的研究成果共同分享今年的诺贝尔物理学奖。其中,莫罗和唐娜因为“发明产生高强度超短光学脉冲的方法”而共获今年诺贝尔物理学奖一半奖金。其中,唐娜·斯崔克兰也成为了自1901年至今100多年来,第三位获得诺贝尔物理学奖的女性科学家。

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左起依次为:美国物理学家阿瑟·阿什金、法国物理学家杰哈·莫罗、加拿大物理学家唐娜·斯崔克兰

啁啾脉冲放大技术的原理

虽然,激光器早在1960年已被发明出来,但科学家们从未放弃在其性能上寻求更大突破。在当时的情况下,如果继续增加短脉冲的光强,放大材料就会被烧毁,这是一个摆在面前的现实难题。为了攻克这一难题,1985年,莫罗和唐娜发明了啁啾脉冲放大技术(CPA)。啁啾二字最早出自唐朝诗人王维《黄雀痴》中的诗句“到大啁啾解游颺,各自东西南北飞”,原指鸟儿的不同叫声,在激光中指的则是不同频率,是对这项技术原理的形象化表述。

这一技术的原理大体上可以表述为:将一段短脉冲在时域上展宽,然后放大,再进行压缩。当脉冲展宽时,功率的极值会变得非常低,因此,即便放大到很高的倍数,也不会烧毁放大器;然后,再在时域上对脉冲进行压缩,可以极大增强脉冲的强度。使用这项技术后,脉冲可以短到飞秒(10-15秒)量级,功率可以达到太瓦(1012瓦特)量级。通过这一技术,激光脉冲变得更短,强度变得更高。正是这项技术的发明,使得超快、超强激光得到了快速发展。

开创性成果带来深远影响

啁啾脉冲放大技术诞生后,对激光科学产生了极具革命性的影响。瑞典皇家科学院院士林德罗特表示,啁啾脉冲放大技术涉及如何让激光变得更强,有了强大的激光之后可以做很多实际的事情,比如精准、低成本地为粒子加速,强激光带来的短脉冲可以以简单而不伤及眼球的方式来矫正视力等等。

这项技术在核物理、粒子物理等物理学分支中得到广泛应用,利用这项技术,物理学家制造出超高速相机,利用飞秒量级的脉冲对原子和分子进行拍照,得以更好地洞察微观世界中的秘密。

同时,这项技术也极大地推动了医学的进步,超短超强激光脉冲可以精确地对包括生物物质在内的各种材料进行高精细程度的切割,白内障屈光手术的进步正是受益于这项技术;这种脉冲还能用于制造微米尺度的手术支架,可以用来扩张和加固人体内血管、尿道和其他通路,给数以千万计的患者带来了福音。

新的激光技术直接带来许多行业标准的提升,凭借超快激光技术,我们能获得更强大的电子产品、更安全有效的医疗手段、更高效的太阳能电池、更好的催化剂和更强大的加速器。

国内超快激光的现实与挑战

从激光应用发展来看,超快激光在工业应用上的历史并不长,是欧美等发达国家重点布局的激光应用热点。目前,国内核心超快激光器市场基本还是外国公司占主导地位,以相干、光谱物理、通快、NKT最具代表性。国内以大族激光、华日激光、安扬激光、贝林激光为首的众多企业正在大力推进相关技术产业化,在超快激光设备、激光精密加工、激光器技术的研发、技术应用和产品生产等产业环节取得快速发展。

随着“工业4.0”和“中国制造2025”战略的大力推进,国内工业加工领域不断向高端智能化方向迈进,超快激光产业获得了前所未有的快速发展。在国内厂商们的共同努力之下,国产化替代进程不断加快。相信在不久的未来,中国在超快激光领域的实力将会得到明显提升。

 

【光粒网综合报道】( 责任编辑:Jucy )
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