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激光技术大发展 万亿瓦级超强激光器大比拼

http://jczs.sina.com.cn 2003年7月18日 17:01 科报网  

  1996年5月23日,麦克尔·佩里等人在加州劳伦斯·利物摩尔国家实验室,运用他们新研制的激光器,产生出能量达1250万亿瓦的激光脉冲,脉冲持续时间为500毫沙秒,其瞬间释放的能量超过当时美国所有电站总发电量1200倍。此后3年里,该实验室的研究人员利用这台激光器分离和聚合原子、将电子加速到光速、产生3千亿倍大气压的压力以及产生强X射线、伽马射线脉冲和高能质子。这台激光器还用于被称为Nova的激光聚变实验装置中。1999年,利物摩尔实验室拆除了该激光器,开始另建更大、更好的“国家点火装置”(NIF)。

  现在,美、法、德、英及日本已有12座1000万亿瓦级激光器已建成或接近建成。例如,去年,英国卢瑟福实验室已完成将Vulcan激光装置改造成千万亿瓦级的工作,并将对这一装置进行了点火试验。日本原子能研究所的激光器已发出850垓瓦的激光脉冲,仅比千万亿瓦级的目标低15%。法国和美国的两台激光器也正处于改造过程中,预计明年便可产生千万亿瓦级的激光输出。各国在建造千万亿瓦级激光器方面进行大比拼的主要原因是,他们认为,利用这一设备可突破物理学研究中的一些障碍,甚至可获得通向诺贝尔奖的一些重大发现。

  这些大功率超强激光器正在改变着“强场科学”的面貌。例如,运用这类超强激光器发射的光束射击靶标,会产生某些类似于宇宙诞生时或在黑洞边缘才会出现的情景,“实验室天体物理学”也由此诞生。小型千万亿瓦级激光器还将使医学研究获得突破,例如快速超短X射线脉冲能够拍摄到蛋白质中原子的运动,从而可解释一些生物学作用机理。

  1960年,梅曼等人研制出第一台激光器,此后人们一直致力于提高激光脉冲能量和缩短脉冲持续时间的研究。60年代末研制的激光器,激光脉冲能量通常最高为10亿瓦,再高就比较困难。1985年,当时在罗彻斯特大学工作的莫热,利用所谓线性调频脉冲放大技术(CPA)打破了这一僵局。从80年代末到90年代,单一激光脉冲能量从109瓦上升到1012瓦。到90年代中,利物摩尔实验室的Nova装置,采用了CPA技术和改进型透镜、反射镜及光栅,使之能产生出千万亿瓦级激光。

  90年代中期,激光强度首次达到1018瓦/平方厘米,为相对论性非线形光学的研究提供了必要的条件。高强度激光还可用于加速带电粒子,在1毫米空间内就可将带电粒子加速到几亿电子伏。千万亿瓦的激光也将能帮助研究人员产生另外一种,被称为密集电子-正电子等离子体的新物质。据称,这种等离子体在伽马射线爆发中起到关键作用。

  或许科学家对高强度激光器寄予的最大希望是引发核聚变,如利物摩尔实验的Nova和NIF等激光器,多年来就一直从事激光聚变研究。目前,几台千万亿瓦级激光器正瞄准上述目标,以期取得重大突破。

  得克萨斯大学千万亿瓦激光器建造者迪特米热说:“目前,世界上有很多科学家小组正在研究强场激光,他们将很快研制出强度达1021瓦/平方厘米的激光,这一强度将使科学家能够进入亚核粒子及基本作用力的研究领域。将会出现更多的强场激光应用领域,有些应用目前我们根本想象不出。”(张孟军)


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