获得诺贝尔物理学奖的阿秒脉冲激光，到底是什么？
以下文章来源于格致论道讲坛 ，作者格致论道讲坛
编者按
10月3日，2023年诺贝尔物理学奖授予皮埃尔•阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）、费伦茨•克劳斯（Ferenc Krausz）、安妮•吕利耶（Anne L’Huillier），表彰他们对于超快激光和阿秒物理科学的开创性工作。一束指甲盖大小的激光居然可以顶起100万个埃菲尔铁塔？未来能源危机的最终解决方案或许是激光？大科学装置“羲和”和“神光”究竟是做什么用的？关于激光，你不知道、想知道的，都在这里！
吴宝俊（左）
中国科学院大学科协常务副秘书长
方少波（中）
中国科学院大学博士生导师
中国科学院物理研究所副研究员
朱美萍（右）
中国科学院大学博士生导师
中国科学院上海光学精密机械研究所研究员
吴宝俊：无理性不真相，欢迎收看理性派对第三季，我是本期的主持人吴宝俊。漫威的《X战警》当中有一个特殊的变种人“镭射眼”，平时带着墨镜。但当他摘下墨镜时，双眼就会放出破坏性极强的光线，这也正是我们今天要聊的主题——激光。
我们身边有激光存在吗？
吴宝俊：首先我们探讨一下，激光在我们普通老百姓的日常生活当中能够接触到吗？我们就举三个例子。第一个是手电筒，特别是现在小孩子玩的一种玩具手电筒特别亮，那有没有可能是激光？其次是大家说的LED屏，它和激光有没有关系？另外，还有我们经常说的光盘，它的“光”和激光有没有关系？
方少波：我们日常买到的物品基本上都不是激光的，但是光盘是个例外。最早的第一张CD其实就是由激光刻出来的。
吴宝俊：也就是说，光盘其实是指激光刻的盘。那LED屏呢？
方少波：包括LED屏在内的显示屏，其实大部分都用不着激光，因为激光的亮度非常高。当然，现在有很多企业和科研院所也在专注于做激光显示或者激光投影，实际上也是为了提高亮度。
吴宝俊：用激光做显示，那是不是有点费观众？
方少波：那倒不会，因为激光不是直接打到观众眼里的。你看到的是激光的光源散射或者反射出来的相对比较柔和的光。同时，它在颜色上也有很好的提升，会更锐利一些。
吴宝俊：那么，激光和普通光的区别到底是什么？
朱美萍：激光的英文是laser，即受激辐射光放大（light amplification by stimulated emission of radiation）英文首字母的缩写。
激光笔
激光与普通光源的差别主要有四个：第一个特点是它的方向性特别好。无论是太阳光还是白炽灯泡，这些普通的光源都是向四面八方发射的，但是激光的方向性就特别好。
光的色散
第二个特点是它的单色性特别好。太阳光经过棱镜分光以后，我们可以看到多种颜色的光谱带。但是激光的单色性很好（波长分布范围非常窄），它的单色性甚至能够到10-10-10-13的量级。
第三个特点是它的相干性特别好。激光是受激辐射放大光，它所有的光子都是同一个光子态，所以它的相干性特别好（在传播过程中保持着相同的相位差，波形近乎完全一致）。
第四个特点是它的亮度高。
方少波：用激光来做激光显示，其实就是利用了激光的高亮度的特点。
激光是如何诞生的？
吴宝俊：那么，激光到底是怎么发明出来的？
方少波：激光从诞生至今的历史其实并不长。现在我们把每年的5月16日定义为国际光日，原因就是1960年5月16日，在美国的西部休斯公司有一个叫梅曼的工程师第一次实现了激光。当时的激光发出的是红光，中心波长大概是690多纳米。
在激光laser之前，人们最先发明的是脉泽maser。其实就是把L换成了M，L表示light，说明是在光学波段，而M表示microwave，说明是在微波波段。其实在微波波段更容易产生这样一个微波的放大器。
世界上第一台微波激射器
当时发明微波放大器的时候，还有中国人的贡献在里面。这是世界第一台微波激射器，我们在这张图上会发现有一个亚洲人的面孔，这个人叫王天眷。
吴宝俊：我们要记住这个科学家的名字——王天眷，他也是我们中国科学院物理所的老前辈。
方少波：是的。在做出了微波激射器之后，所有人都在竞赛，看谁能够先把激射器从微波波段做到光学波段，也就是做出第一台激光器。梅曼先生的确是做出来了，下图也展示了他当时做出来的第一台激光器。
西奥多·哈罗德·梅曼与世界第一台激光器
激光在产生之后有各种各样的翻译，有些人翻译成“死光”，还有些人音译成“镭射”。
吴宝俊：前些年国内有一部科幻电影叫《珊瑚岛上的死光》。
1980年上映的我国第一部科幻电影《珊瑚岛上的死光》
方少波：你有点暴露年龄了，我们还很年轻，没看过这部电影。（笑）
吴宝俊：这是科幻史上蛮出名的一部电影，原来说的“死光”其实就是指激光。
方少波：“死光”当时指的就是激光。因为最早的时候人们就想象到，当激光的能量功率到达一定程度，它是可以作为武器的。
吴宝俊：照谁谁死，打哪儿哪儿伤，不死也残。
方少波：对，基本上我们把激光叫做最快的刀、最准的尺。
激光器的原理是什么？
吴宝俊：工程师们把激光器做出来是要有理论依据的，这些理论上的依据从哪里来呢？
朱美萍：可以简单地理解一下，当一个原子开始的时候处于一个高的能级，如果这时候有一个外来的光子，它所携带的能量正好是高能级和低能级的能量之差，那么这个原子就会在外来光子的诱发下，产生一个从高能级跃迁到低能级的过程，同时辐射一个与入射光子完全一样的光子。
也就是入射的是一个光子，出射的就是两个完全相同的光子，在这个过程里产生了受激辐射光放大，激发出来的光就是激光。
吴宝俊：我突然想起来这有点像核反应里的链式反应。链式反应是一个中子击中一个物质，然后放出两个中子。您讲的是一个光子触发，然后放出两个光子。
方少波：它也是1变2、2变4、4变8这样的过程。其实最早的理论工作是1917年的时候爱因斯坦提出来的。
吴宝俊：1917年爱因斯坦提出受激辐射的光放大，后来科学家们先研究微波波段的受激辐射的放大，之后才扩展到光的领域，做出来激光器。
如何制造一台激光器
吴宝俊：那么，激光器怎么实现受激辐射的光放大，它需要有哪些部件？
朱美萍：如果要产生受激辐射光放大这样的一个激光器，它必须有三个组成的要素：一是激光的工作物质，二是一个泵浦源，还得有一个光学的谐振腔。
那么激光的工作物质就是用来实现粒子数的反转，并且产生、收集辐射光放大的工作物质。要实现受激辐射光放大，粒子要从高能级跃迁到低能级，那高能级的粒子就越来越少了。所以之前需要有一个粒子数反转的过程，让高能级的粒子变多，即粒子数的反转。粒子数反转就是在激光的工作物质里面实现的，我们也叫它激光增益介质。
吴宝俊：让更多低能级的粒子跑到高能级去。
朱美萍：是的。为了产生粒子数反转，必须有一个泵浦源。泵浦源的作用就是激活这个粒子从基态泵浦到高能级，也就是实现粒子数反转的过程。
方少波：我们也可以简单的把它想象成一个抽水泵。抽水泵把下面的水往上抽，上抽到一定程度的时候，上面的水就比下面的水多了，就更有几率把它降下来。要实现粒子数的反转，就是要让高能级的粒子数多于低能级的粒子数。
吴宝俊：就是先用一个泵把底下的粒子抽上来，然后拿光去打它实现放大。
朱美萍：激光器里还有一个光学的谐振腔。刚刚我们提到光子从1变2、2变4、4变8这样一个过程，它需要光子通过激光的工作物质的路径很长。实际上我们是通过两端有高反射的膜的光学谐振腔实现的。一个光子在激光器里运动，遇到反射膜后就会回来，最终在两个反射膜之间来回振荡。这就叫做光学谐振腔。
吴宝俊：如果没有谐振腔，光子要击中下一个粒子，再变成2个、4个、8个，这就需要很长的距离。实验室里没有那么长的距离，就可以做一对反射镜，打到反射镜再反射回来，这样来回反射就可以，就不需要一条笔直的、长长的路了。
朱美萍：是的，您的理解很正确。
吴宝俊：那么，除了这些，激光器还有没有别的组成部分？
朱美萍：除了这三个关键的必要的组成部分之外，我们还要去调节整个激光的输出光束的质量，这就要光学元件登场了。其中比较关键的一个元件叫做激光薄膜元件。
我们知道激光是沿直线行走的，激光薄膜元件就是唯一能够迫使只知道直线行走的强激光按照人类的意志改变方向的独门元件。比如美国国家点火装置这样的大型激光装置里，就需要有数万件的激光薄膜元件。
我们还可以用激光薄膜元件实现不同的功能，比如需要一束光分成两束光，那么就做一个半透半反的元件，或者还可以让两束光合成一束光。根据不同的使用功能，激光薄膜可以实现包括高反射、高透射、分光等等各种各样的功能。
方少波：其实普通的原件也可以做到反射和透射，就像我们现在有一个杯子，激光打到这个杯子里，有一部分激光自然就会反射回来，有一部分激光就会透射。但是如果镀上了这样的一些薄膜，它可以实现超高的透射率或者超高的反射率，或者是人为限定的特定比例，让它反射多少就反射多少，透射多少就透射多少。
吴宝俊：那这个反射率最高大概能有多少？
朱美萍：一般现在超高反射率能做到5个9以上，即99.999%。当然，实际上并不是所有的光学元件都需要这么高的反射率，可能有些设计还需要有一定的光漏出来进行探测。
方少波：比如谐振腔的其中一个反射膜就需要有所谓的OC（Output Coupler）这么一个输出，它总得有光出来的。它的透射率一般是2%-4%，根据你的参数需要来选择。
吴宝俊：那最开始的光子怎么输入？这两个反射膜就是不是某一个位置有光能打进来？
朱美萍：你可以想象在充满工作物质的谐振腔下面放了一个泵浦源，其实第一个光子是自发辐射产生的，就是在工作物质里面。
方少波：我们再拿第一台梅曼的激光器来演示。最中间就是一个红宝石作为工作物质,它外面螺旋式缠绕着的就是泵浦源。泵浦源发出的光不是激光，而是以一种闪光灯的形式提供光能。吸收了能量之后，红宝石里面的这些粒子就会反转，形成一个蓄能的过程。
后来人们在很长的一段时间里，都觉得泵浦源需要以螺旋形式来做。但实际上完全没必要，我们可以有各种各样的形式，上透下射或者从左右透的都可以，看你如何设计。
超快激光能有多快？
吴宝俊：二位老师能不能聊一聊你们拿激光器是做什么样的研究？
方少波：首先我们就做激光器。
吴宝俊：您自己就造激光器？您也造红宝石吗？
方少波：可以去买这样的红宝石或者掺钛的蓝宝石。现在的工作物质更多了，有光纤的、板条的、薄片的，各种各样的增益介质其实都可以，适用于不同波长、不同能量、不同功率的激光器。像使用掺钛蓝宝石的激光器，现在在超快激光里面用得比较多。
吴宝俊：超快是怎么个快法？
方少波：超快就是它的脉冲宽度特别短，所以也叫做超短脉冲激光。最初梅曼的激光器其实是以毫秒量级闪耀，也就是一个脉冲有几个毫秒。随着激光技术的进步，脉冲宽度越来越窄。目前最短的飞秒激光大概在一两个飞秒左右。然后以这样的飞秒激光去产生或驱动所谓的阿秒光源，可以达到几十个阿秒。
吴宝俊：飞秒、阿秒到底是多少秒?
方少波：我们从秒开始，每往下降一个单位就是三个数量级，依次是毫秒、微秒、纳秒、皮秒和飞秒。飞秒就是10-15秒。再往下还有阿秒、仄秒，分别是10-18秒和10-21秒。
吴宝俊：那么短的时间，这个东西有什么用？
方少波：如果你的能量是不变的，比如只有一个焦耳的能量，你把一个焦耳在一秒钟内释放，它差不多就是一瓦。如果这一焦耳的能量在一毫秒的时间尺度内释放，它就会变成1000瓦，功率就会直接提高1000倍。如果再进一步地压缩，从毫秒压缩到微秒，就又提高了1000倍，也就是106瓦。如果再进一步从微秒变纳秒再变成皮秒，每一次都是1000倍的提升。
如果把一个拍瓦（1015瓦）的激光聚焦到一个小点，聚焦到你的指甲盖上，就会产生一个极大的压强。这个压强相当于你用一个小拇指就能顶起埃菲尔铁塔，但不是顶一个，而是顶100万个。
这样的一些短脉冲的好处就是它不需要特别大的能量。因为它的时间持续很短，还可以用来看一些运动非常快的事物。
很多朋友照相的时候可能都有过这样的感受。当你的快门不够快的时候，去拍一些运动的物体比如奔驰的跑车，你会发现像就虚了。用电学的方法开合的时间能达到10-9-10-10秒就已经很快了，但是用光学的方法可以实现10-15秒。
如果激光脉冲是一个飞秒，那就意味着在一个飞秒内就完成了光的开和关，形成了一个超快的快门。这时候如果把它当成一个闪光灯，就可以去拍摄和它差不多量级的瞬态的运动。所以有科学家叫泽维尔，就拿这样的激光去拍分子键的断裂、结合，获得了1999年诺贝尔化学奖，他专门给这个学科定义为飞秒化学。
其实诺贝尔奖给了很多个与激光相关的研究，包括化学奖和物理学奖，像2018年的诺贝尔物理学奖就颁给了超强超短激光。
吴宝俊：拿激光直接去拍分子键的断裂，因为分子键的断裂太快了。要是拍咱们运动员打拳的速度，其实也是大炮打蚊子了。
方少波：没错，那可能微秒级的激光就够了。像子弹出膛，大家可能都看过《黑客帝国》里基努·里维斯躲子弹，其实以我们超快光学的眼光看，躲子弹不需要太快。
“羲和”与“神光”大科学装置
吴宝俊：那么，朱老师您那边主要是做什么方向？
朱美萍：刚刚提到1960年美国科学家研制出世界上第一台红宝石激光器，那么1961年，我们国家的王之江院士成功研发了中国的第一台红宝石激光器。
王之江院士与我国第一台红宝石激光器
到1964年，我们中国科学院上海光机所成立，是中国第一个专业做激光研究的研究所。早期的时候我们是以大能量激光和大功率激光起家的，目前主要有三个方向：一是刚刚提到的超强超短激光，我们也在做；二是激光聚变领域；然后就是空间领域的激光。
像我们研究所在嫦娥工程里做的测距用的激光器，它从环月阶段就利用激光技术测量自己到月球表面的距离。在落月阶段还可以精确地测量月球表面的三维形貌，为找到着落点提供一个比较好的数据支撑。
超强超短激光也是我们的一个主要研究方向。我们所里研制的上海超强超短激光实验装置，也叫羲和激光装置。装置产生的最高的峰值功率能够到10个拍瓦，光强相当于10个太阳，目前是国际上最高的。也是被Science的一篇文章评述为从1960年第一台激光器研制成功以来，在脉冲功率的提升方面的第5个里程碑。前4个里程碑都是美国的，这个是我们中国的。
羲和大科学装置
吴宝俊：羲和激光装置有什么我们普通老百姓能听懂应用吗？
朱美萍：举一个例子，如果我们想研究太阳内部物质的状态，但以人类目前的科学水平是不可能进入太阳的。那么我们就可以用超强超短激光，把一个物质加热到和太阳内部差不多的温度，同时用激光从物质的周围四面八方对它进行施压，使得它成为一个高密度的状态。这样一个高温、高密度的状态就接近了太阳本身的环境，这个时候我们就能够在实验室里去研究太阳内部的物质状态。
吴宝俊：就是使用羲和这样的装置可以模拟一个恒星？
方少波：它可以模拟一些非常极端的物理条件，比如恒星内部的超高温、超高压，或者是超强的磁场。这些都需要在超强的激光下，借助类似羲和这样的超强拍瓦激光来实现，以至于人类在实验室里就可以做一些天体物理上的模拟，专门有一个分支就叫做实验室天体物理。
吴宝俊：朱老师，你能不能再介绍一下激光核聚变的来龙去脉？
朱美萍：我国著名的核物理学家王淦昌院士和前苏联的科学家巴索夫（诺贝尔奖的获得者），他们分别在1964年和1963年独立提出了激光核聚变的设想。
王淦昌（左）和尼古拉·巴索夫（右）
目前我们国家有两支团队在激光核聚变这个领域做得比较领先，一个是上海光机所的神光Ⅱ号和神光Ⅱ号升级装置，另一个是中国工程物理研究所的神光Ⅲ号。
神光Ⅱ号（左）和神光Ⅱ号升级装置（右）
在国际上做激光聚变装置比较领先的有美国的国家点火装置、法国的兆焦耳装置，还有日本的GEKKO装置。
美国的国家点火装置（左）、法国的兆焦耳装置（中）和日本的GEKKO装置（右）
美国国家点火装置是目前最大的激光核聚变装置，整个占地面积大概有三个足球场那么大，它有192路的激光束。
方少波：如果将来有了激光核聚变，很可能就能彻底解决能源上的一些危机，或者从根本上改变人类对于能源的需求。
激光在现代生活中的应用
吴宝俊：刚才二位老师聊了他们的科研方向，接下来回到我们的生活当中。比方前两天我去拔牙，就了解到现在有一种激光拔牙的技术，两位有研究这个技术吗？
方少波：我们不研究拔牙，但是我也了解到有一种激光的技术可以做根管治疗。现在的根管治疗通常来说就是拿一个小电钻一钻，把里面的东西给钻碎，然后再掏出来，彻底杀死你的牙神经，其实激光也可以替代这样的钻头。
吴宝俊：我身边还有很多同事说激光可以治疗近视眼，这个有用吗？
朱美萍：我们也不研究，但是这个事情我觉得是靠谱的。在激光诞生后的第二年，国际上就开始把激光技术应用到医疗领域。在上世纪60年代的时候，激光在眼科学和皮肤科学的领域就已经得到成功的应用了。到了70年代的时候，随着光纤技术的发展，激光技术又结合了内窥镜的技术，在治疗胃出血、泌尿外科这些领域得到了应用。所以，激光技术在临床医学上还是取得了比较丰硕的成果。
方少波：国内有很多单位都开展过类似的超快激光的研究，尤其是皮秒或者飞秒激光来做这种眼科手术。因为近视的时候晶状体的曲率变大了，把这个晶状体上面切掉一层之后，自然而然地曲率就变平了。
为什么要用激光呢？就是因为它可以非常精细地实现这种微纳的加工。为什么激光能做光刻，也是因为它在这样的定位或者尺度下能够控制得非常好。
吴宝俊：您说的正是我想问的下一个问题，光刻机里的光其实就是激光？
方少波：光刻机是一个相对比较复杂的系统。光学或者说激光光源是光刻机里面的一个比较重要的部分，但绝对不是唯一的组成部分。其实除了需要掌握一个非常高通量的光源之外，另外还需要一个非常复杂的光学的成像系统。甚至它的反馈控制，包括光刻胶这种材料，还有里面所有核心的元器件，其实方方面面都是相对比较复杂的工程性的设计，每一个部件都蕴含了很多的基础科研的储备和科学技术的积累。
朱美萍：光刻机的光源是整个光刻机的非常重要的组成部分。集成电路现在要求5纳米及以下的集成节点去量产的时候，深紫外光源就已经满足不了要求，极紫外技术就应运而生了。那么极紫外是13.5纳米的紫外光，但它并不是直接由激光器产生的，而是由万瓦级的二氧化碳激光器来轰击锡液滴靶产生的，所产生的等离子体的光刚好是13.5纳米的光。
激光的未来
吴宝俊：接下来，二位老师能不能从专业的视角聊一聊，或者大胆展望一下，未来激光技术这个领域在本身科研或者在改变人类的生活方面有没有可能出现什么巨大的突破或者出人意料的东西？
朱美萍：我举一个小例子，我们知道在经典的物理认知里真空里是空的，但是在量子动力学的视角下，真空里是有正物质和反物质的。那么假如我们的超强超短激光装置再往前进一步，峰值功率再高一点，把激光汇聚到功率密度达到1023到1024瓦每平方厘米的这样一个量级的时候，我们就有可能撕裂真空，去看一看真空里到底有没有正物质或者反物质。
吴宝俊：这是科研上的一个进展。
方少波：我个人的经验可能会觉得，这种光学的技术会和磁学、声学等各种各样的先进技术融合。其实可以想象，在非常强的时候我们可以做非常极端的物理条件；当你的激光能量或功率没那么强的时候，可能会做一些加工性质的工作，包括航空发动机和芯片的刻蚀。但如果激光能量再低一些，可以做一些更有意思的工作，比如人体组织的修复。所以希望激光能够照亮我们生活的方方面面。
吴宝俊：在节目的最后，还请二位老师表达一下参加我们节目的感想。
方少波：在这边感觉就像和朋友们一起聊聊天，可能有说的对的和不对的地方，也请大家以批判的眼光来看待我们的理性派对。
朱美萍：参加这个节目和各位老师一起聊聊激光技术本身是一件非常开心的事情，我希望今后有更多的同学们能够致力于激光技术的研究，能够尽快地占领整个世界的科技前沿。
吴宝俊：这里是理性派对第三季，我们本期激光的话题就聊到这里，谢谢大家。
我们的名字，叫国栋！
请放心，强国一代有我在！
国科大科普科幻作品大赛，等你！
看官可有什么想与国晓薇分享的？
投个稿告诉我吧~
投稿邮箱：wechat@ucas.edu.cn
观微之光，可明远方
来源/格致论道
美编/李葭萌
责编/冯心怡
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