一見“強激光”，立刻想起星球大戰中的“光劍”，立刻想到奧特曼的光線必殺技，立刻想起《三體(ti) 》中用激光武器抵抗最終讓人類敗得一塌糊塗的水滴，但最終還是想得太少了。“強激光”一詞在我們(men) 的生活中出現的頻率越來越高，甚至一些小夥(huo) 伴覺得科幻大片中的高科技武器快要實現不為(wei) 奇怪。

但事實上，激光正在以諸多同具科幻色彩的應用改變我們(men) 的生活。目前已經實現的應用就有激光工業(ye) 加工（焊接、切割、清洗等）、激光3D全息投影、激光通訊、激光操控細胞、激光無創手術等。在未來，激光還將有望在核聚變、激光引雷、量子計算、太空垃圾清掃、衛星/飛船供能、宇宙探索、真空結構研究、癌症治療、激光推進等不可勝數的方麵獲得成功應用。而這些科幻般的應用絕大部分都離不開接下來介紹的強激光。

圖1 戴拿-光線必殺技

強激光不是指某一種激光器，而是一大類激光器[1]。激光領域內(nei) ，不同研究方向的人們(men) 通常以高平均功率激光、大功率激光、高能激光、高功率激光、超短超強激光、超高峰值功率激光等來描述各自研究的強激光類型。

單從(cong) 功率角度看，這些激光器都具有輸出功率高的特點，在英文中都可以譯為(wei) High Power Laser。因此，對於(yu) 初步接觸激光器或者非相關(guan) 領域的門外漢來說，這些詞匯讓人摸不著頭腦，經常容易混淆。然而，強激光有著意義(yi) 重大的研究方向和應用場景，而且正在改變我們(men) 的生活，有必要對其有一些常識性的了解。

接下來就通過簡單的科普帶大家一探究竟。

聊強激光之前，我們(men) 先了解一下激光。激光（英文名：laser）是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”的縮寫(xie) ，即“通過受激輻射產(chan) 生的光放大”。1964年錢學森（1911-2009，世界著名科學家，兩(liang) 彈一星元勳）建議將“laser”命名為(wei) “激光”，“激光”一詞音義(yi) 俱佳、朗朗上口，自此被正式使用。不過，我國台灣、港澳地區到如今仍采用直接音譯的“鐳射”代指“laser”。

那麽(me) ，如何理解“激光是通過受激輻射產(chan) 生的光放大”呢?首先引用激光之父——湯斯（Charles Townes，1915-2015，1964年諾貝爾物理學獎得主）先生的話：“激光就是光的放大。當光穿過物質時，物質釋放了能量，把能量給了光。”這是一句通俗且高度概括性的話，它告訴我們(men) 激光的產(chan) 生源於(yu) 光通過物質時被不斷地放大。這裏的物質通常也被稱為(wei) 增益介質（gain medium），可以是由分子/原子構成的固體(ti) 、液體(ti) 或氣體(ti) ，也可以是等離子體(ti) 氣體(ti) 或者自由電子氣體(ti) 。我想你可能已經猜到受激輻射是光與(yu) 物質作用的某種過程，要真正理解這個(ge) 過程，我們(men) 需要借助如圖2所示的能級圖。

物質中的分子/原子既可以處於(yu) 高能量狀態E₂，又可以處於(yu) 低能量狀態E₁，但處於(yu) 高能態E₂的分子總是不穩定的，它喜歡向低能態E₁“跳躍”，“跳躍”過程中能量會(hui) 以光子的形式釋放，我們(men) 將其稱為(wei) 輻射。

如果這種“跳躍”是自發進行的（沒有入射光激發），我們(men) 就把這種“跳躍”釋放光子的過程稱為(wei) 自發輻射，這種自發輻射產(chan) 生的光子之間是沒有關(guan) 聯的（不相幹的），這也是普通光源的發光原理。如圖2所示，一個(ge) “頻率適合”的入射光子經過高能態的分子/原子時激發了這種“跳躍”，使得“跳躍”的過程中釋放了一個(ge) 和入射光子完全相同的光子，那麽(me) 這種“跳躍”釋放光子的過程就稱為(wei) 受激輻射。受激輻射的過程中，入射光子從(cong) 高能態分子中獲得了能量，變成了兩(liang) 個(ge) 一模一樣的光子。如果能建造一類裝置，讓光不斷通過高能態的分子來發生受激輻射，那麽(me) 光子就會(hui) 被迅速的“複製”從(cong) 而實現光放大，這種由受激輻射放大的光就稱為(wei) 激光，產(chan) 生激光的裝置就叫激光器。

正是由於(yu) 受激輻射過程產(chan) 生的相同光子的特點，使得激光器有許多普通光所沒有的優(you) 良特性。主要包括：

1）方向性好：發散角很小，可以長距離傳(chuan) 輸而不發散。

2）相幹性高和單色性好：激光的顏色（頻率）非常純，能實現在長距離和長時間內(nei) 相幹（發生幹涉）。

3）亮度高和能量密度大：激光的輸出能量可以集中在非常小的空間尺度和時間尺度內(nei) 發射，所以亮度和能量密度都極大，這一點也是強激光的特點。

說來簡單但行之不易，從(cong) 1917年愛因斯坦提出受激輻射的概念到1960年梅曼（Maiman, 1927-2007,美國著名物理學家/工程師）建造出第一台激光，前人們(men) 經曆了漫長且艱辛的科學探索過程。感興(xing) 趣激光發明史的同學可以看物理所常國慶老師的一篇科普文[2]以及朱安遠在緬懷湯斯先生逝世一周年之際所著的文章[3]。另外，由於(yu) 篇幅所限，以上對激光產(chan) 生原理的介紹也隻能點到為(wei) 止，感興(xing) 趣激光產(chan) 生原理的同學可以查閱任意一本激光相關(guan) 教材。

激光發明後，激光技術遍地開花，激光的應用也如雨後春筍般湧現。同時，具有高亮度、高功率特點的強激光因其誘人的應用場景被重點研究。我國的領導人和科學家在這個(ge) 方麵是富有遠見的，一開始就對強激光科技事業(ye) 高度重視，在1965年組織立項了一批重大項目。正是早期的重視和投入，為(wei) 我國現在能在強激光技術領域處於(yu) 全球領先水平打下了一個(ge) 非常好的基礎。經過近六十年的發展，強激光科技事業(ye) 正如日中天，各項物理參數不斷被刷新，各種瓶頸問題不斷被突破，各類激動人心的應用距離成功正越來越近。

根據科研目標和應用需求上的差別，強激光可以大體(ti) 分為(wei) 三大研究類別，分別為(wei) 超高平均功率強激光、大能量短脈衝(chong) 強激光、超短脈衝(chong) 超高峰值功率強激光。下麵將從(cong) 這三個(ge) 方麵向大家介紹。

在此之前，需要先了解一些激光輸出的參數。根據能量輸出的持續時間，可將激光分為(wei) 連續光、準連續光、短脈衝(chong) 光、超短脈衝(chong) 光。所謂“脈衝(chong) ”就是指在時間上不連續的輸出，用脈衝(chong) 寬度（簡稱脈寬）描述脈衝(chong) 持續時間長短，用脈衝(chong) 能量描述單個(ge) 脈衝(chong) 包絡的能量，用重複頻率（簡稱重頻）描述一秒鍾內(nei) 輸出的脈衝(chong) 數量，用平均功率（Average power）描述一秒鍾內(nei) 輸出的總能量，用峰值功率（Peak power）描述單個(ge) 脈衝(chong) 所能達到的最高功率（數值上等於(yu) 脈衝(chong) 能量比上脈寬）。

描述強激光功率的常見單位有千瓦（KW）、兆瓦（MW）、吉瓦(GW, 1 GW = 10⁹ W)、太瓦（TW, 1 TW = 10¹² W）、拍瓦（PW, 1 PW = 10¹⁵ W）。描述強激光脈寬常見單位有毫秒（ms）、微秒（μs）、納秒（ns, 1 ns = 10^-9 s）、皮秒（ps, 1 ps = 10^-12 s）、飛秒（fs, 1 fs = 10^-15 s）。

3.1 超高平均功率強激光    

這一類強激光以輸出超高的平均功率（從(cong) 數十千瓦到幾兆瓦）為(wei) 主要特點，以更高的平均功率、更好的光束質量、更高的能量轉化效率為(wei) 研發導向，輸出類型主要是連續和準連續（脈寬在微秒量級，重頻在Hz量級到10 KHz量級）輸出，通常所說的“高能激光”、“大功率激光”多指此類激光器。由於(yu) 此類強激光在工業(ye) 、軍(jun) 事和空間科學方麵巨大的潛在價(jia) 值，一直以來都是各國的研究焦點之一。

目前，以化學儲(chu) 能介質、氣體(ti) 、光纖、固態晶體(ti) 為(wei) 增益介質的激光器都能實現高平均功率的激光輸出[4]。其中，最早得到發展的是氣體(ti) 激光器，早在20世紀70年代，美國人建造的CO₂激光器輸出功率就達到了400 千瓦（KW），但是這類激光器體(ti) 積龐大，應用不便。

不過，數十千瓦高平均功率的短脈衝(chong) （ns量級）激光器正被用作產(chan) 生極紫外光（EUV）的強大驅動源，是我國EUV光刻機的卡脖子技術之一[5]。目前為(wei) 止，能實現最高平均功率輸出的是化學激光器，氧碘激光器和氟化氘化學激光器均已實現兆瓦量（MW）級的強激光輸出，但是這類激光器的應用仍受燃料的循環使用、穩定性和小型化等方麵的問題製約。

進入本世紀以來，由於(yu) 近紅外短波區半導體(ti) 激光器（LD）的發展成熟，利用LD泵浦的固體(ti) 激光器和光纖激光器都獲得了巨大的成功，這兩(liang) 類激光器都有體(ti) 積小、應用方便等顯著優(you) 點。目前，美國的IPG公司已經報道了500 千瓦的全光纖激光輸出[6]，國內(nei) 的南華大學等單位也成功研製100 千瓦量級的光纖激光器，但是這些高功率光纖激光器均采用多束功率合成輸出，光束質量都不是很好，僅(jin) 適合應用於(yu) 工業(ye) 加工領域。相較光纖激光器而言，LD泵浦的固體(ti) 激光器擁有更好的光束質量，激光輸出能力在10~100 千瓦量級。

隨著此類強激光的發展成熟，將有望在工業(ye) 智能製造、空間供能，太空垃圾清理，鈉導引星，激光武器等方麵發揮重大作用。這些應用聽起來是不是都非常具有科幻色彩？這裏給大家簡單介紹幾個(ge) 例子：

3.1.1 空間激光“清掃”太空垃圾

大家有沒有想過我們(men) 發上天的衛星最後都去了哪裏？答案很簡單，一部分落入大氣層燒毀，一部分則變成了“太空垃圾”。隨著航空航天技術的發展，隻會(hui) 有越來越多的人造物體(ti) 升空，但是它們(men) 都不會(hui) 永遠運行下去，它們(men) 可能會(hui) 停留在太空中，從(cong) 而產(chan) 生了大量的“廢棄物”——太空碎片垃圾。

根據空間專(zhuan) 家的估計，地球附近的太空中有大大小小的空間碎片上億(yi) 片。由於(yu) 太空垃圾在軌道上以每秒7km以上的速度運行，動能巨大，若運行中的航天器與(yu) 它們(men) 相撞可能會(hui) 嚴(yan) 重損壞，甚至威脅到宇航員的生命安全。

目前，高能量的脈衝(chong) 激光是解決(jue) 這類碎片的最佳手段，因此受到高度重視。當這類強激光照射到碎片時，將使太空碎片熔化為(wei) 無害的等離子體(ti) ，在減少太空垃圾數量的同時，又不會(hui) 在原處增加更微小的太空垃圾流雲(yun) [7]。但是目前仍然麵臨(lin) 兩(liang) 個(ge) 問題：如果將激光器裝在地麵上，則必須通過大氣傳(chuan) 輸，能量和光束質量嚴(yan) 重下降；若裝配到太空中，則激光器的能量供給無法得到有效保障。

圖3 人造衛星及太空碎片分布圖

3.1.2 給天文望遠鏡做“白內(nei) 障消除手術”

由於(yu) 天體(ti) 發出的光波經過濃密大氣層時，會(hui) 受到永不停息的大氣湍流擾動影響，使光的波前發生了畸變，使得地麵望遠鏡接收來自宇宙的光時難以獲得高分辨的圖像。因此濃密的大氣擾動對於(yu) 天文望遠鏡而言猶如病人眼球裏的白內(nei) 障，都會(hui) 讓圖像變得模糊。

那麽(me) ，怎樣去消除這種模糊呢？科學家想到了一種方法——人造一顆參考“星星”來測算大氣擾動。利用這顆“星星”作為(wei) 參考，可以獲得大氣對光波前擾動的數據，再結合一些算法就可以從(cong) 圖4(a)得到圖4(b)所示的高分辨的圖像了。

問題又來了，如何造“星星”呢？采用589nm的高功率激光激發距離地麵90 km高處大氣電離層中的鈉原子可產(chan) 生高亮度的“星星”。我們(men) 通常把這種“星星”叫做“鈉導星”，激發鈉導星的激光器稱為(wei) “鈉信標激光”[8]。高功率鈉信標激光的獲得是比較困難的，它需要用上文提到的強激光作為(wei) 驅動源。目前，國內(nei) 外都在開展相關(guan) 研究，圖4中(c)、(d)為(wei) 試驗圖片。

圖4(a)&(b)自適應光學-校正大氣幹擾前後Keck望遠鏡對銀河係中心成像

圖4(c)&(d)歐洲南方天文台&中科院理化所鈉導星激光器

3.1.3 給航空/航天器“投喂”

有沒有想過一架無人機從(cong) 起飛後就不再降落，一個(ge) 衛星在黑夜裏也能充電？這些想法在未來都可能成為(wei) 現實，需要的是一台高平均功率的強激光，一個(ge) 轉化效率高的光伏接收器以及一個(ge) 定位控製係統。有了這三樣東(dong) 西，我們(men) 就可以給大氣層中的航空器或者太空中的航天器提供能量了[9]。

當然，如果遇到霧霾或者陰雨天氣這種由地麵到太空的能量傳(chuan) 輸就會(hui) 失效，因為(wei) 霧霾真的可以防激光，這時隻能期待有一塊超強的儲(chu) 能電池了。雖然從(cong) 地麵到空間的能量傳(chuan) 輸容易因天氣而受阻，但是將這項技術用在太空中卻是極好的。

目前，許多國家都在研究通過激光將能量從(cong) 太陽光源照射下的衛星傳(chuan) 輸到低地球軌道上的較小衛星[10]，這項技術被稱為(wei) “激光驅動無線能量聚束”。

圖5 空間衛星供能示意圖

3.1.4 用作激光武器

由於(yu) 激光以光速（宇宙無敵）傳(chuan) 輸能量，且能量集中，所以激光用作武器可實現精準且迅速的打擊效果，受到各國的青睞，被譽為(wei) “未來武器”。但由於(yu) 目前高平均功率強激光的功率和光束質量還難以滿足此類應用的要求，以及激光傳(chuan) 輸過程中容易受到大氣幹擾，激光武器距離真正實用的時間還不可預知。

圖6 激光武器戰場概念圖

3.2 大能量短脈衝(chong) 強激光    

大能量短脈衝(chong) 強激光主要以輸出脈寬短和脈衝(chong) 能量巨大為(wei) 特點，脈衝(chong) 能量從(cong) 百焦耳量級到兆焦耳（MJ）量級，脈寬一般為(wei) 納秒（ns）量級，峰值功率從(cong) 吉瓦量級（GW）到太瓦（TW）量級，通常所見的“高功率激光”多指此類強激光。由於(yu) 釹玻璃可以造的很大，因此長期以來這類強激光都以釹玻璃為(wei) 增益介質，但是釹玻璃存在熱導率低、散熱差的缺點。正因為(wei) 這些缺點，這類強激光通常是單發的，即發射後需要經過相當一段時間才能繼續進行下一次發射，這嚴(yan) 重限製了相關(guan) 應用。

隨著冷卻散熱技術的進步以及性能更優(you) 異的Yb:YAG晶體(ti) 生長技術的成熟，新一代以Yb:YAG為(wei) 增益介質的大能量短脈衝(chong) 激光正在成為(wei) 研究熱點。未來，這類強激光將向短時間內(nei) 能實現重複發射的方向發展，既保證短脈衝(chong) 大能量，又能實現高平均功率輸出。就目前的報道來看，英國盧瑟福實驗室建造的DiPOLE強激光係統具有地表最強的指標，該係統基於(yu) 低溫氣體(ti) 冷卻的多板條Yb:YAG，實現了輸出脈衝(chong) 能量100 J級／脈寬10 ns／重複頻率10 Hz的總體(ti) 能力[11]。

這類強激光主要用途包括三個(ge) 方麵[12]：

1）作為(wei) 慣性約束核聚變的激光驅動源。

2）利用強激光創造出類似於(yu) 天體(ti) 環境的高能量密度（HED）物質狀態，從(cong) 而探索、揭示極端條件下物質的新結構和新特性。

3）作為(wei) 下一節將介紹的超強超短激光的強大泵浦源。

圖7 激光點火核聚變原理圖

其中，最受重視也是最激動人心的應用當屬強激光驅動的慣性約束核聚變。基本原理如圖7所示：利用大能量短脈衝(chong) 的強激光精準地將直徑毫米級的聚變燃料小球直接或間接地壓縮並加熱到上億(yi) 度的高溫，讓聚變燃料（氘和氚）能夠自發進行熱核聚變反應。如果這種可控的核聚變能夠成功，將徹底解決(jue) 困擾人類的能源問題，是最具革命性的科技進步（沒有之一）。

圖8 建設中的美國國家點火裝置（NIF）

現在很多國家都建設有這類裝置，其中最典型的代表是美國利弗莫爾國家實驗室（LLNL）在2009年建成的國家點火裝置（NIF），如圖8所示。NIF實現了192束強激光組束，總輸出能量1.8 兆焦耳，峰值功率達520太瓦（TW），脈寬5~10 納秒。我國在這個(ge) 領域也處在領先水平，2015年建成的神光-Ⅲ聚變裝置共有48束激光組束，總輸出能量為(wei) 18萬(wan) 焦耳，峰值功率高達60 太瓦，是世界上投入運行的第二大激光驅動器。

3.3 超短脈衝(chong) 超高峰值功率強激光    

這一類強激光器以超高的峰值功率為(wei) 特點，主要以創造前所未有的極端強場為(wei) 導向，脈寬在飛秒（fs）量級，單脈衝(chong) 能量在百毫焦耳（100 mJ）量級到千焦耳（KJ）量級，通常又稱為(wei) “超短超強激光（Ultra-short and Ultra-intense Lasers）”。

目前全世界都在爭(zheng) 相建造更高峰值功率的強激光，人類現在已經實現的水平為(wei) 峰值功率10 拍瓦（PW，一拍瓦等於(yu) 一千萬(wan) 億(yi) 瓦）量級。我國在這個(ge) 方麵處於(yu) 世界領先，上海光機所在2019年實現了12.9 PW激光輸出，創造了世界最高功率記錄，正在籌建100 PW級超強激光。可能大家不能體(ti) 會(hui) 到這些數據到底意味著什麽(me) ，這裏給出三個(ge) 形象的解釋：

1）超高功率：10 PW 相當於(yu) 在小於(yu) 10^-13秒（十萬(wan) 億(yi) 分之一秒）的瞬間有超過世界電網平均功率100倍的瞬時功率。

2）超強場：如果將100 PW的脈衝(chong) 激光聚焦到一個(ge) 直徑幾個(ge) 微米的斑點上，那麽(me) 這個(ge) 微小區域的強度將達到驚人的10²⁴ W/cm²（瓦/平方厘米）——比太陽光直射地球的強度高出約25個(ge) 數量級。

3）超高壓：如果將10 PW脈衝(chong) 激光聚焦後打到物質上可以產(chan) 生等離子體(ti) ，這種等離子體(ti) 內(nei) 部的壓強將大於(yu) 10⁹個(ge) 大氣壓 （1Gbar），相當於(yu) 在一個(ge) 大拇指上放上10艘全負荷的尼米茲(zi) 級航空母艦的壓強。

以上三個(ge) 解釋源自物理所李玉同和上海光機所李儒新兩(liang) 位老師的報告。

那麽(me) ，為(wei) 什麽(me) 要研究超短超強激光？主要原因可歸納為(wei) 以下兩(liang) 個(ge) 方麵：

///一是超短超強激光是研究物質世界的“神奇探針”，在其所創造的超強場、超高壓、超高溫條件下，蘊含著許多尚未知曉的新物理，是未來非常有望出現諾貝爾物理學獎的領域之一。

///二是超短超強激光可以用來加速電子和質子等帶電粒子，通過超強激光加速獲得的高能電子和高能質子在科學探索和醫療方麵發揮著重要作用[13]。

其中，近20年來得到快速發展的超強激光驅動等離子體(ti) 加速器因其超高加速梯度(1~100 GV/m)，將有望被應用於(yu) 未來的超高能（>1 TeV）直線電子對撞機中，這對高能粒子物理的研究至關(guan) 重要[14]。下麵就這兩(liang) 個(ge) 方麵簡單給大家介紹兩(liang) 個(ge) 相關(guan) 例子：

3.3.1 研究真空結構，產(chan) 生真實粒子

大家可能會(hui) 問為(wei) 啥要研究真空結構？真空不是什麽(me) 也沒有嗎？其實，根據量子電動力學，真空並非一無所有，真空中有統計上有限的正能量，叫做空間的零點能，也就是說真空中至少是有能量的。

那麽(me) 假設你還聽說過愛因斯坦的質能方程E = mc²，你就會(hui) 知道質量和能量是可以相互轉化的。因此，有能量的真空中可以產(chan) 生真實的粒子（如電子），但是需要一個(ge) 超級強的電場（大約是10²⁹ W/cm²）來激發，這個(ge) 閾值電場被稱為(wei) Schwinger極限。因為(wei) “憑空”從(cong) 真空中產(chan) 生實物粒子，因此很多時候把這個(ge) 過程叫做“真空擊穿”或者“真空撕裂”。

可是要產(chan) 生如此強的電場仍然力有未逮，不過最近有研究表明，由於(yu) 不存在理想的真空，因此從(cong) 非理想真空激發產(chan) 生實物粒子所需的激光強度將遠小於(yu) Schwinger極限[15]。

為(wei) 了便於(yu) 理解，以上的描述並不嚴(yan) 謹。嚴(yan) 謹的說法是：真空中存在量子漲落（可以視作真空本身存在虛粒子和反虛粒子的不斷出現和消失，如圖9所示），在具有足夠能量的激發下，我們(men) 能利用這些空的空間的電磁屬性來產(chan) 生真實的粒子-反粒子對[16]。

圖9 真空中的虛粒子對的出現和消失

3.3.2 “激光質子刀”精準殺死癌細胞

大家知道，由於(yu) 對癌症缺乏特效藥和有效的治療手段，癌症幾乎成了的絕症。目前最普遍的療法是“放療”，所謂“放療”就是用高能量的X射線（一種波長極短的光）穿透身體(ti) 殺死癌細胞。但是X射線在穿透身體(ti) 時，不僅(jin) 殺死了病灶處的癌細胞也殺死了表層的健康細胞，對人體(ti) 危害特別大。

今天介紹的“質子刀”和“放療”相比，能高效的殺死癌細胞但對健康細胞傷(shang) 害很小，因此被形容為(wei) “治癌神器”或“腫瘤殺手”。“質子刀”實質上就是利用高能量的質子（一種實物粒子）來替代“放療”中的X射線殺死癌細胞。由於(yu) 高能質子在物質（如人體(ti) 內(nei) ）中傳(chuan) 輸時損失的能量很小，且經過一段傳(chuan) 輸距離（如身體(ti) 表層皮膚）後，質子束的大部分能量會(hui) 沉積在末端（腫瘤所在之處），因此能實現精準殺死癌細胞。但是要獲得這種高能量質子非常困難，通常需要建一個(ge) 大型的加速器，這使得質子刀癌症治療沒有獲得推廣。

然而利用超短超強脈衝(chong) 在等離子體(ti) 中激發的超強靜電場卻可以在非常小的空間內(nei) 獲得高能質子[17]，這一技術使製造小型化的質子刀裝置——“激光質子刀”成為(wei) 可能，技術概念圖如圖10所示。

目前，相關(guan) 的裝置研究和應用示範正在不斷落地，相信在不遠的將來我們(men) 就可以用激光質子刀治療癌症。

圖10 強激光加速的高能質子用於(yu) 治療癌症

雖然在討論強激光應用時功率是最常提及的指標，但實際上決(jue) 定能否成功應用的根本是亮度。目前限製高平均功率強激光發展的一個(ge) 關(guan) 鍵問題就是隨著功率的提升，光源亮度並沒有同步提高，究其原因是功率提升時光束質量非線性下降。

同樣問題在高峰值功率的激光器中也存在，特別是應用於(yu) 慣性約束核聚變的強激光更需要非常好的光束質量。因此，輸出功率和光束質量是研製強激光裝置時必須追求的兩(liang) 個(ge) 核心性能。那是什麽(me) 導致了輸出功率提升時，光束質量下降了呢？答案是“廢熱”。所有的激光器的能量轉化效率都不可能達到100 %，這就使得在發射激光的過程中，增益介質積累了非常多的熱量，這些熱量使得增益介質溫度分布不均勻，從(cong) 而產(chan) 生了熱變形、熱致折射率變化，最終使光束質量下降。

同時，為(wei) 了散熱，高峰值功率的強激光無法在短時間內(nei) 實現重複發射，極大的限製了應用。這些由廢熱的存在所導致的問題我們(men) 稱之為(wei) “熱負載受限”，筆者幻想如果有一種如圖11所示的“寒冰掌”高熱流密度散熱工具，那麽(me) 這種熱負載受限問題將獲得非常大的解決(jue) ！

圖11 理想-寒冰掌冷卻強激光

當然，散熱隻是共性問題，對於(yu) 大能量短脈寬的高功率激光器來說還存在功率負載受限的問題，對於(yu) 超短超強脈衝(chong) 激光來說還存在通量負載受限和脈衝(chong) 對比度提升困難的問題[18]。

從(cong) 1917年愛因斯坦提出受激輻射的概念以來，已經一百多年過去了，激光的發明和發展都留下激動人心的故事，但一個(ge) 個(ge) 驚人的故事仍將續寫(xie) 。筆者認為(wei) 此時的強激光仍處其少年時期，未來將在其應用領域大放異彩。

由於(yu) 筆者初生牛犢，水平實在有限，文中定有不妥之處，希望各位指正。

[1] 中國人民解放軍(jun) 總裝備部．高峰值功率、高能量激光參數術語：GJB8546—2015[S]. 北京：中國航空綜合技術研究所，2015

[2] https://mp.weixin.qq.com/s/3boPorWbZVu3EYz0mEVehw

[3] 朱安遠. 激光之父:1964年諾貝爾物理學獎得主湯斯博士——深切緬懷湯斯教授逝世1周年(一). 中國市場. 2016(01):190-7.

[4] 羅樂(le) , 麻曉敏, 李建設, 黃英, 鄧善熙. 飛秒激光和大功率激光的發展與(yu) 應用. 合肥工業(ye) 大學學報(自然科學版). 2005(12):1610-3.

[5] 宗楠, 胡蔚敏, 王誌敏, 王小軍(jun) , 張申金, 薄勇, et al. 激光等離子體(ti) 13.5 nm極紫外光刻光源進展. 中國光學. 2020;13(01):28-42.

[6] Zuo J, Lin X. High‐Power Laser Systems. Laser & Photonics Reviews. 2022:2100741.

[7] Apollonov VV. High power/energy lasers in our life. 2016.

[8] 謝仕永, 黃康勝, 孫勇, 王久旺, 王彩麗(li) , 薄鐵柱, et al. 用於(yu) 自適應光學的鈉導星激光器研究進展. 科技導報. 2018;36(05):60-9.

[9] Nakai S, editor Progress of Power Laser and Its Application to Space. AIP Conference Proceedings; 2004: American Institute of Physics.

[10] https://mp.weixin.qq.com/s/bIzBx1FxKVcpuz7BxD9O2Q

[11] Sui Y, Yuan M, Bai Z, Fan Z. Recent Development of High-Energy Short-Pulse Lasers with Cryogenically Cooled Yb: YAG. Applied Sciences. 2022;12(8):3711.

[12] 付星, 劉廷昊, 雷新星, 鞏馬理, 柳強. 二極管泵浦重複頻率納秒高能固體(ti) 激光器研究進展. fun88官网平台. 2021;48(15):1501003.

[13] Ji L. Ion acceleration and extreme light field generation based on ultra-short and ultra–intense lasers: Springer Science & Business Media; 2014.

[14] 王貽芳, 魯巍. 粒子物理及高能加速器的未來? 新原理加速器能行嗎?

[15] Wu Y, Ji L, Li R. On the upper limit of laser intensity attainable in nonideal vacuum. Photonics Research. 2021;9(4):541-7.

[16] https://www.electrooptics.com/news/lasers-beam-power-between-satellites

[17] Fourmaux S, Buffechoux S, Albertazzi B, Capelli D, Lévy A, Gnedyuk S, et al. Investigation of laser-driven proton acceleration using ultra-short, ultra-intense laser pulses. Physics of Plasmas. 2013;20(1):013110.

[18] 張小民, 胡東(dong) 霞, 許黨(dang) 朋, 王靜, 程鑫彬, 劉軍(jun) , et al. 淺論強激光係統的物理受限問題. fun88官网平台. 2021;48(12):1201002.