神奇的激光與等離子體有什么區(qū)別與聯(lián)系

激光與等離子體技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用在我們的生活中。本期《大咖面對(duì)面》我們邀請(qǐng)了北京科技大學(xué)數(shù)理學(xué)院教授王云良老師,為大家介紹神奇的激光與等離子體。

問(wèn)題一:激光是什么,與普通的光有什么區(qū)別?

激光這個(gè)概念最早是愛(ài)因斯坦提出的。1960年,人們制出了第一臺(tái)激光器。激光的特點(diǎn)是具有方向性、單色性,并且頻率相對(duì)單一。

經(jīng)過(guò)一代代科學(xué)家和技術(shù)人員的努力,激光器不斷更新?lián)Q代,無(wú)論是激光強(qiáng)度還是其他性能都有很大的提升。

現(xiàn)在,激光的強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到很高水平,很多實(shí)驗(yàn)室,都能實(shí)現(xiàn)10的23次方瓦每平方厘米的光強(qiáng)。

去年的諾貝爾獎(jiǎng)就頒給了啁啾脈沖放大技術(shù)的提出者M(jìn)ourou和他的學(xué)生。

問(wèn)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(huì)越來(lái)越劇烈地運(yùn)動(dòng),并越來(lái)越頻繁地發(fā)生碰撞。

當(dāng)分子的運(yùn)動(dòng)劇烈到一定程度時(shí),它自身無(wú)法再承受如此劇烈的運(yùn)動(dòng)與如此頻繁的碰撞,就會(huì)發(fā)生解體,分裂成帶正電和帶負(fù)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(fù)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(chēng)為“等”離子體。

等離子體大家對(duì)等離子體不熟悉,是因?yàn)樵诘厍蜻@個(gè)環(huán)境當(dāng)中,自然界存在的等離子體不是很多。

即便如此,大家也都見(jiàn)過(guò)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(lái)說(shuō),太陽(yáng)中也存在大量的等離子體。

問(wèn)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(dòng)力是激光對(duì)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(shuō)會(huì)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(méi)有核輻射,相對(duì)來(lái)講,是非常清潔的能源,太陽(yáng)之所以能發(fā)光發(fā)熱正是因?yàn)槠鋬?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(dāng)中提取,可以說(shuō)是取之不盡用之不竭。

所以,對(duì)于激光與等離子體相互作用的領(lǐng)域,對(duì)于科研人員來(lái)說(shuō),最大的研究動(dòng)力就是激光的慣性約束核聚變。

問(wèn)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(guó)家,還有蘇聯(lián)的科學(xué)家,相對(duì)獨(dú)立提出的。

plasma-ball它非常類(lèi)似于氣缸的點(diǎn)火,經(jīng)過(guò)激光的打靶、燒蝕、壓縮,然后點(diǎn)火,進(jìn)而使核聚變發(fā)生,其中,主要利用了激光高光照強(qiáng)度、高能量密度的特性。

利用這個(gè)原理,人們能夠?qū)ΨQ(chēng)地壓縮等離子體,使核聚變?cè)诤苄〉目臻g內(nèi)發(fā)生。

當(dāng)然,這種方法在技術(shù)上相對(duì)難以實(shí)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(dòng),快點(diǎn)火等等。

問(wèn)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(shuō),電子束中每個(gè)電子的速度比較接近。

沒(méi)有人為干預(yù)的情況下,電子束會(huì)徑直地往前傳播。如果人為地加上電磁場(chǎng),在電磁場(chǎng)作用下,電子束中的電子就會(huì)搖擺起來(lái)。

比如,在電子束經(jīng)過(guò)的路徑上加一個(gè)磁鐵,電子束就能夠在磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用下,上下?lián)u擺和左右搖擺。

電子搖擺的時(shí)候,因?yàn)槠滠壽E改變了,按照傳統(tǒng)的經(jīng)典電磁學(xué)的概念,電子就具有了加速度,有加速度后,電子就會(huì)產(chǎn)生輻射,這個(gè)輻射滿(mǎn)足一定條件時(shí)就會(huì)相干,形成自由電子激光。

問(wèn)題六:什么是脈沖激光?

脈沖激光是相對(duì)于連續(xù)激光而言的。脈沖激光每次只是發(fā)射出一個(gè)光脈沖,這個(gè)光脈沖在空間和時(shí)間上都是局域化的。

脈沖激光在時(shí)間上持續(xù)得比較短,可能是幾皮秒(一萬(wàn)億分之一秒)、幾納秒(十億分之一秒),甚至幾飛秒(一千萬(wàn)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(xiàn),一個(gè)光脈沖,就可以理解成“一團(tuán)光”。

問(wèn)題七:為什么要研究脈沖激光?

實(shí)際上,做脈沖激光的研究是一個(gè)取舍,連續(xù)激光很難達(dá)到非常高的強(qiáng)度,所以大家就選擇研究脈沖激光。

如果把脈沖的時(shí)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(huì)提高,相比連續(xù)激光更容易實(shí)現(xiàn)較高的強(qiáng)度。

所以我們經(jīng)常說(shuō)的光強(qiáng),它是一個(gè)功率的概念,提高了功率,才能使光強(qiáng)增大。因此,跟強(qiáng)激光有關(guān)的研究領(lǐng)域中出現(xiàn)了一個(gè)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(gè)范圍內(nèi),在持續(xù)時(shí)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(shí)間范圍內(nèi),能在一瞬間達(dá)到很高的強(qiáng)度。

當(dāng)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(shí)現(xiàn)很高強(qiáng)度時(shí),脈沖激光可能會(huì)失去研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。

本文來(lái)源:北京科學(xué)中心

如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系管理員,我們將在24小時(shí)內(nèi)刪除