国家批了！曾获诺贝尔奖的技术即将落地粤港澳大湾区
2024-10-30 11:13:49
作者：材料学网 来源：材料学网
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2023年曾获诺贝尔物理学奖的
阿秒激光技术
加速在大湾区落地啦！
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近日，亚洲首个阿秒激光大科学装置
正式获国家发改委概算批复
即将在东莞松山湖科学城开工建设
这意味着大湾区世界级大科学装置集群
再次重磅加码
先进阿秒激光设施建设示意图
“可以说，超快超强激光是拓展人类认知的重要工具之一，在某些方面甚至是独一无二、不可替代的研究手段。”在去年松山湖材料实验室举办的首届超快激光应用发展大会上，中国科学院院士、松山湖材料实验室主任汪卫华透露，中国科学院物理研究所作为该装置建设法人单位，携松山湖材料实验室，在松山湖建设国内首个先进阿秒激光设施，其中6条束线及实验系统将落地东莞。为建设管理运行好先进阿秒激光设施，中国科学院物理研究所已联合松山湖材料实验室成立了阿秒科学中心，已经聚集了一大批国内外优秀的研究人员和工程技术人员，希望依托先进阿秒激光设施建成一个超快物质科学的国际化研究中心，协同中国散裂中子源等大科学装置，在能源材料、信息材料以及基础物理等领域做出国际一流的成绩。大科学装置是前沿科学探索及技术创新突破的重要基础支撑。先进阿秒激光设施建成后，将成为亚洲首个、世界第二个阿秒激光大科学装置，该装置也有望成为今年内松山湖迎来的第二个国家重大科技基础设施建设项目。阿秒激光，顾名思义，是一种在阿秒（10^-18 秒）时间尺度上闪烁的激光。为了理解它的特殊之处，我们首先需要了解什么是阿秒。阿秒是时间的一个非常小的单位，它是一秒钟的一百亿亿分之一。如果将一秒钟比作一座高山，那么阿秒就像是山脚下的一粒沙。在这么短的时间里，即便是光，也差不多只能穿越一个原子大小的距离。
通过阿秒激光，科学家们可以像看电影的慢动作回放一样，观察电子在原子内部的运动，探究它们之间的交互作用。阿秒激光是科学家们经过多年的研究和努力，利用非线性光学原理创造出的超快激光。它的出现，让我们有了观察和研究原子、分子甚至是电子动态的新窗口。阿秒激光和普通激光相比，都有哪些不寻常的特性？其实，如果我们了解了激光的分类，就很容易明白阿秒激光在整个“激光家族”中到底处在什么样的位置了。按波长分类，激光可以分为紫外激光、可见光激光、红外激光等。阿秒激光通常是在紫外至软X射线波段的激光，换句话说，它的波长比一般的激光要短。
按输出模式分类，激光可分为连续波激光和脉冲激光。阿秒激光属于脉冲激光，具有极短的脉冲持续时间。至于什么是连续波，什么是脉冲，我们可以用手电筒来进行比喻。长按开关让手电一直发光就是持续波，而不停按下开关让手电筒在亮和暗间交替变化就是脉冲。说白了，阿秒激光并不连续，在亮暗之间连续变化，只是这种变化的频率快得惊人，它的闪烁可以在阿秒量级实现。按功率分类，可以将激光分为低功率激光、中功率激光和高功率激光。阿秒激光因其极短的脉冲时间而能具有高峰值功率。（功率（P）的含义是单位时间内能量的强度（P=W/t），单个的阿秒激光脉冲可能能量（W）并不是特别大，但由于其持续时间（t）极短，因此峰值功率较高。）按应用领域分类，可以将激光分为工业激光、医疗激光、科研激光等。阿秒激光主要应用于科学研究，特别是在物理和化学的研究中，用以探究微观世界的快速动态过程。
从星火光程实验室射向空中一点处的三条绿色激光束。图源：维基百科按激光介质分类，激光可以分为气体激光、固体激光、液体激光和半导体激光。阿秒激光的产生通常依赖于气体激光介质，并利用非线性光学效应产生高次谐波。总结来说，阿秒激光是一种特殊的短波脉冲激光，它的特点是脉冲持续时间极短，通常在阿秒量级，因而能用于观测和控制原子、分子和固体中电子的超快动态过程。
阿秒激光是非常前沿的技术，与一般的激光相比，它的产生条件相当苛刻。我们在此先简单描述阿秒激光的产生原理，再用生活中常见的景象来对其进行比喻说明。各位读者看不懂物理原理的相关描述也不必着急放弃，后面的比喻一定可以为你绘出阿秒激光的基本物理图像。阿秒激光的产生过程主要依赖于高次谐波生成（HHG）技术。首先，一束高强度的飞秒（10^-15 秒）激光脉冲被聚焦到气体靶材料上（飞秒激光其实和阿秒激光类似，都具有脉冲持续时间短且峰值功率高的特点）。在强激光场的作用下，气体原子的电子会被拉离原子核，短暂进入自由电子状态。随着激光场的振荡，这些电子会在一段时间后返回并重新与原子核结合，形成了新的高能量状态。在此过程中，电子会以极高的速度运动，当它们与原子核重新结合时，会释放出其携带的额外能量，以高次谐波的形式发射出高能光子。这些新产生的高能光子的频率是原始激光频率的整数倍，形成了高次谐波（谐波其实就是原始频率整数倍的含义）。为了得到阿秒激光，需要再对这些高次谐波进行滤波和聚焦，选取特定的高次谐波，然后将它们集中到一点。如果需要，还可以通过脉冲压缩技术来进一步减短脉冲的持续时间，从而得到阿秒级别的超短脉冲。诺奖官方委员会对于谐波的说明。图源：诺奖委员会官网
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