科技 美造威力最强可操作激光可模拟恒星爆炸(图)

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http://www.sina.com.cn 2008年04月09日 14:25 新浪科技


激光压缩机(laser compressor)


　　新浪科技讯 北京时间4月9日消息，据美国《连线》杂志报道，美国德克萨斯州大学的科学家研制出世界上功率最强大的可操作激光，这种激光每万亿分之一秒产生的能量是美国所有发电厂发电量的2000倍，输出功率超过1 皮瓦——相当于10的15次方瓦。

　　超级激光是在德州大学奥斯汀分校的物理学大楼问世的，它的打造者——德州大学的高强度激光科学研究组希望，利用这种功率达皮瓦的激光“再造”迷你版的超新星等天文现象。超级激光项目负责人麦卡尔·马丁尼兹表示：“我们可以让材料进入一种极端状态，这种状态在地球上是看不到的。我们打算在德州观察的现象相当于进入太空观察一颗正在爆炸的恒星。”

　　3月31日，德州大学科学家正式启动这种皮瓦级超级激光，世界上威力最大的可操作激光就此浮出水面，但它并没有拿到已研制的威力最大激光的头衔。至少在几个月时间里，这份殊荣还是要归于劳伦斯·利弗莫尔国家实验室打造的已被束之高阁的“新星”激光，这种激光第一次启动是在1996年。马丁尼兹说，希望他的项目能够在2008年打破这一纪录，也就是说，让激光的功率达到1.3皮瓦到1.5皮瓦之间。

　　下面，就向读者介绍一下，德州大学科学家如何利用放大器、压缩机、晶体等技术让这种激光变得更为强大。激光的输出功率由激光脉冲的能量(单位为焦耳)和持续时间(单位为秒)决定。为了获得更高的输出功率，你可以提高脉冲能量或者将同等能量置于持续时间更短的脉冲，当然了，你也可以采取“双管齐下”的方式。但问题是，提高能量意味着更难于获得短脉冲。为了解决这个问题，科学家需要在一个1500平方英尺的净室内操作一套颇有点“大题小做”的装置。

　　实际上，世界上威力最大的激光最初就像一个软弱无力的病人，我们可以将它的最初状态形象地称之为“种子激光”。种子激光只能产生1毫微焦耳能量，持续时间也不过数百飞秒(10到15秒)。为了实现“自我提高”，它必须穿过一系列的放大器、压缩机和延伸器，在此之后，科学家才能利用它“重建”太阳内部结构，持续时间为一万亿分之一秒。

　　延伸器利用衍射光栅——工作方式与棱镜处理标准光类似——将激光分离成不同波长。这么做可以延长脉冲——从飞秒尺度(10到15秒)延长到毫微秒尺度(10到9秒)。但与此同时，它也会降低脉冲的能量——从毫微焦耳降至皮焦耳。科学家之所以上演这一过程的原因在于：能够在下一步操作(放大)中更容易地处理脉冲。



放大器

　　首先，完全不同的激光利用特殊晶体提高被拉长的新种子脉冲的能量，整个过程被称之为“光参量放大”。这么做能够让激光能量一路攀升至1焦耳。在此之后，脉冲便要遭遇棒状放大器。放大器是一个24厘米长的玻璃棒，被注入激光脉冲能够吸收的光线。在8次穿过棒状放大器之后，激光的能量便可达到20焦耳。在下面这张图片中，我们看到的就是所谓的“激光链”，发蓝光的便是泵浦灯。最后，脉冲会穿过一个盘状放大器。在这个放大器中，两块盘状玻璃被注入抽运光，在4次穿过放大器之后，脉冲的能量达到250焦耳左右。


激光链

　　科学家最后要做的就是再次压缩之前被延伸器拉长的脉冲，用于获得最大能量。下图中，我们看到的就是压缩机室。机室中的另一个衍射光栅可以将展开的波长重新组合成一个短脉冲，大约150飞秒长，同时损失大量能量。但即使能量达到1焦耳，激光也能产生巨大的皮瓦级功率。



压缩机室
　　马丁尼兹在总结整个过程时说：“我们似乎和这种激光开了个玩笑。我们把短脉冲延长，而后对脉冲进行放大，最后又对它重新压缩。”真正的激光脉冲将穿过机室左侧的圆盖，在这个机室，科学家将利用激光模拟核爆炸或者一颗结构密集的地外恒星。此项研究是由国家核安全管理局发起的，所用设备的总成本大约在700万美元左右。(杨孝文）