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超快超强激光的发展和应用 |
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作者：中国科学院半导体研究所 |
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激光是二十世纪六十年代初出现的一门新兴科学技术。由于激光具有任何其它光源所不具备的优异特征，所以它的出现大大改变了人类对自然界的认知能力。由于它极高的能量密度可以改变物质的正常状态，为理论工作者提供了一个崭新的激光与物质探索领域。
随着激光技术飞速发展，超快激光出现了人们的视线之中，它具备独特的超短脉冲、超强特性，能以较低的脉冲能量获得极高的峰值光强。超短脉冲啁啾放大技术(Chirped Pulse Amplification，CPA)的出现使超快激光的强度得到大大提高。与传统长脉冲激光及连续激光不同，超快激光有着超短的激光脉冲，这使得激光脉冲的频谱宽度相当大。这样宽的频谱在进行诸如原子能级研究，激光选键化学等方面都具有重要的应用。利用超快激光脉冲短的特点，可以采用泵浦-探测的方式，将激光脉冲与物质相互作用现象在不同的时刻照相，以期获得整个过程的特点。这个方法已经被应用到各个领域，如在原子与分子反应动力学研究中以及观察电子的运动，利用飞秒激光脉冲甚至阿秒脉冲，通过泵浦-探测的方法观察到反应过程。聚焦后的超快激光，其峰值功率密度超过1013W/cm2时，所产生的电场强度就已经大于原子的内电场。它提供的极强极高的电场，能够超过价带电子的束缚力，使分子、原子的电子体系发生巨大变化。利用这个特性，人们可以研究由于超快激光导致原子内部产生的奇特现象。并且，超快激光还显示出其它不同的特性，如热影响区域小、作用效果能够超过光学衍射极限、优秀的空间选择特性。下图展示了超快超强激光的发展过程与应用范围。
图1 超快超强激光的发展及应用
超快超强激光脉冲与物质的相互作用是是当前最活跃的研究课题之一。它在新型的粒子加速器、超快高能X射线光源等方面，都有着广泛的应用前景。同时，它包含多方面理论和实验研究内容的课题，涉及到物理学的许多重要分支,如激光物理、原子分子物理、非线性光学、等离子体物理、热力学等。随着超短激光脉冲技术的不断发展，实验上己经能够产生高强度的周期量级超短脉冲，为光与物质的相互作用研究提供了前所未有的实验手段和极端的物理条件,开拓了光与物质相互作用的崭新的研究领域，产生了所谓的极端非线性光学，大大丰富了光学的研究内容，将激光与原子、分子、离子、电子团簇以及等离子体等各种形态的物质之间的相互作用研究拓展到高度非线性和相对论的强场范围。
超快超强激光与物质的相互作用过程中，随着激光强度的不断提高，各种非线性效应不断增强，出现了高次谐波、阈上电离、隧穿电离等现象，并且周期量级超短激光脉冲失去了波动现象所特有的周期性特征，从而导致一系列全新的物理现象与规律。它提供了一种新的实验工具应用于相干控制、非线形光学以及新近兴起的亚周期电子波包的控制等领域，并提供了一种新的时间测量尺度-阿秒，将可能对众多学科领域产生重要影响。
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(10/8/2011) |
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