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    奧特曼可以靠打怪獸拿諾貝爾獎!

    電子 激光 光子 脈沖
    中科院物理所

    奧特曼和怪獸的戰斗過程一般是:

    奧特曼和怪獸先戰斗三分鐘,

    重傷的怪獸乖乖站在那里等死,

    奧特曼發射必殺光線擊殺怪獸。

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    對于迪迦奧特曼來說,他的必殺技有個專業的名字:

    哉佩利敖光線。

    但是不管是哪個奧特曼,

    他們的必殺技都是以斯派修姆光線為基礎的。

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    今天就來手把手教大家如何發射高殺傷力的斯派修姆光線。

    01

    產生激光

    biubiubiu~

    我們都知道光具有波粒二象性,可以認為一束光是由很多個光子組成,每個光子都具備一定的能量,光的頻率越大或者光的波長越小,光子的能量越高。

    光子能量 E 與頻率 ν 以及波長的關系如下,其中 h 為普朗克常數,c 是光速。

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    下圖列舉了光的頻率(波長)譜,中間彩色的部分就是我們能看到的可見光,可見光的兩側分別是紫外光紅外光,更高頻率的光被稱為X射線、γ射線,更低頻率的光被稱為微波、無線電波等。

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    光的頻率譜。圖片來源:維基百科

    一束光整體的強度就是光的功率,它代表一束光中光子的數目。

    要使光線具備很強的殺傷力,首先要保證光的功率很強,也就是意味著一束光中光子的數目很多。

    這個很容易理解,比如用透鏡將太陽光匯聚可以點燃易燃物,燈光開的更亮會更刺眼。

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    圖庫版權圖片,不授權轉載

    其次要保證光子能量很大。

    我們經常說紫外輻射太強會對人體產生傷害,或者在醫院CT室看到輻射危險(CT室里用的是X射線),就是因為這些光的光子能量太大。

    斯派修姆光線本質上可以看作是具備很高能量的激光。

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    當激光照射到物體上時,物體內部的原子、離子或電子就會吸收光子的能量,電子會被電離,能量在原子間傳播。隨之物體的溫度就會升高從而融化、氣化甚至變成等離子體。

    強激光作用到固體上面是突然給固體局部施加了一個劇烈的能量擾動,能量在固體內部傳播過程中會形成應力波,應力波會使固體發生碎裂[1]。

    所以,奧特曼發射一束光線打到怪獸身上后,怪獸會炸成碎片這個情節是有一定的合理性的。

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    激光是具有很強單色性(即單一頻率)和強方向性的強光束,那么激光該怎樣產生呢?

    這個時候我們可以求助一下愛因斯坦,他提出了光的受激輻射的概念,這是激光產生的基礎。

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    量子力學告訴我們,在物質內部,電子處在分立的能級上,當電子處在較高能量的能級時會自發的躍遷到較低能量的能級上,在躍遷過程中會向外輻射一個光子,輻射的光子的能量等于這兩個能級的能量差。

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    自發輻射示意圖

    這個過程被稱為自發輻射。我們日常生活中見到的熒光粉發出的熒光就是自發輻射的例子。但是,自發輻射的光子不能被集合成激光。

    當我們從外部照射一束光,如果光子的能量大于兩個能級的能量差,電子就會吸收這個光子獲得其能量,從低能級躍遷到高能級,這個過程被稱為受激吸收。

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    受激吸收示意圖

    重點來了,當外部光子的能量等于兩個能級的能量差,且電子處在高能級時,電子就會在外部光子的擾動下躍遷到低能級并輻射一個光子,這個過程被稱為受激輻射。

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    受激輻射示意圖

    我們可以注意到,原來我們入射了一個光子,現在出射了兩個光子,即受激輻射使我們獲得了更強的光。

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    在這里大家要注意一件事:

    根據前面所說,只要電子處在高能級就一定會發生自發輻射,但是我們不希望發生自發輻射,我們希望有更多的電子參與受激輻射才能產生想要的激光。

    那么如何使受激輻射過程更有優勢呢?答案是:只要保證處在高能級的電子數目比處在低能級的電子數目多就可以了,這就是粒子數反轉[2]。

    但是,處在高能級的電子總會躍遷到低能級,那么如何保證處在高能級的電子始終比低能級的電子多呢?

    聰明的你肯定想到了:既然高能級的電子不斷地被消耗,我想個辦法從另一個能級向這個能級補充電子不就可以嗎?

    恭喜你已經參透了紅寶石激光器的原理。

    紅寶石激光器就采用了一個三能級系統,能級由低到高可分為E1,E2,E3[3]。

    在氙燈的照射下:

    1. 紅寶石晶體中原來處于基態E1的電子在吸收了氙燈發射的光子后被激發到最高能級E3。

    2. 電子在E3能級的壽命極短,約皮秒級別,大量粒子就會從E3能級自發輻射躍遷到中間能級E2。

    3. 電子處在E2能級的壽命較長,約毫秒級別,所以E2能級會逐漸積累起大量電子,實現了E1能級與E2能級的粒子數反轉。

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    紅寶石激光器電子躍遷過程

    所以晶體就會對頻率滿足hv=E2-E1的光成分實現放大并輸出。輸出激光的波長為 694 納米的紅光。

    現在我們通過受激輻射產生了大量光子,那么如何把它們變成激光輸出到外界呢?

    我們可以在激光工作物質(比如紅寶石)兩端安裝兩個相互平行的反射鏡,這兩個反射面組成了一個諧振腔,這時只有和反射鏡軸平行的光才能在內部不停來回反射[2]。

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    激光器基本結構

    光經過工作物質又通過受激輻射增強,最終出射的激光具備很強的單向性。

    從上面分析可知,激光很強的單向性使得光子被束縛在很小的空間中,即單位空間中的光子數目多,所以激光才會有很強的功率。

    那么,現在就夠了嗎?普通激光或許可以將人燒傷,但是對比奧特曼一束光線就擊穿百米、身體堅硬的怪獸,我們的力量還不夠!

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    02

    脈沖激光

    biu~biu~biu~

    那么有請接下來我們的主角:脈沖激光。

    我們前面所產生的激光是連續激光,也就是光束的能量分布連續不斷的。

    而脈沖激光則是由一段一段的脈沖組成的光束。一束脈沖的持續時間被稱為脈寬。

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    脈沖光時間波形示意圖

    我們可以作這樣的想象:

    對于一束連續光,所有的光子均勻分布在整束光中。而對于脈沖光,光子只存在于脈沖持續的這段時間里。

    如果這兩束光的光子總數目相同,脈沖光的一個脈沖會具有更多的光子。

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    脈沖激光的單個脈沖時間里有更多的光子

    也就是說,雖然兩者的平均功率相同,但是脈沖光會比連續光具有更強的瞬時功率。

    可以預見,脈沖光的脈寬越窄,激光的瞬時功率越強。所以產生具有超短脈寬的脈沖激光是我們接下來的目標。

    那么如何產生脈沖光呢?

    前面提到,受激輻射產生的光經過在諧振腔里來回振蕩從而實現放大輸出激光,但是諧振腔中一定是存在損耗的,只有介質對光的增益超過損耗才能實現持續輸出激光[2]。

    我們可以調整諧振腔的損耗。

    先將諧振腔的損耗調到很大,激光器就不能產生激光,這樣就可以在激光的上能級上積累大量的激發態粒子,反轉粒子就很多。

    當反轉粒子數達到一個閾值時,突然降低腔的損耗,大量的激發態粒子迅速完成受激輻射。

    然后在下一個脈沖周期,再進行同樣的操作。這樣就產生了很窄的光脈沖。

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    調整諧振腔損耗獲得脈沖激光示意圖

    一般通過改變諧振腔損耗實現的脈沖激光的脈寬能達到納秒級別。

    我們可以通過在諧振腔里放置一個電光晶體改變其損耗[2]。

    所謂電光晶體就是在一個晶體兩段施加電壓時,光通過該晶體會改變偏振方向,這時再加入另一個偏振方向與之垂直的偏振片,光就不能通過偏振片從而不能在諧振腔里來回振蕩了。

    那么如何進一步產生脈寬更短,瞬時功率更強的激光呢?

    我們知道,光是一種電磁波,光強主要是電場的振動。振動方向平行于諧振腔軸線的光稱為縱模,振動方向垂直于軸線的光稱為橫模。

    比如說,彈簧的振動就是一種縱模,水波的振動是一種橫模。

    電場的振動包括振幅、振動周期、和相位。

    對于一般的激光器,其內部光場的振動都是完全不同且相位都是隨機的。所以各個模式之間互不干擾。

    現在,我們可以在諧振腔中加入一個調制器或者加入一個名叫克爾晶體的東西使各個振動模式之間的相位鎖定[4]。

    那么在經過一段時間后一些振動模式就在各自的最大振幅處相遇,實現疊加,最終輸出更大振幅。

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    不同模式間相位鎖定疊加成更強的脈沖激光示意圖

    這樣我們就實現了激光的鎖模放大,通過這種方法可以實現皮秒甚至飛秒級別脈寬的脈沖激光。

    但是現在依然不夠,我們還需要更強的激光。

    我們通過將連續光變成了飛秒脈沖激光實現了非常強的瞬時功率,那么能不能直接再繼續放大飛秒脈沖激光呢?

    答案是可以的!

    接下來我們將采用啁啾脈沖放大技術繼續強化我們的斯派修姆光線。

    我們先將一束激光通過一組棱鏡再將其脈寬展寬,這樣它的峰值功率就會變得很低。

    然后我們讓其再通過一個增益介質進行放大,由于我們事先降低了其峰值功率,所以激光在增益介質中增強的過程中不會將其損壞。

    激光經過增益介質放大后接下來再通過一組棱鏡將其脈寬壓縮,這意味著更多的光被壓縮到了一個很小的區域里,從而極大地增大了飛秒激光脈沖的強度。

    值得一提的是,這個方法還獲得了2018年的諾貝爾物理學獎。所以奧特曼憑借這個技術可以拿諾獎!

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    03

    高次諧波

    biuuu~biuuu~biuuu~

    我們現在已經實現了很強的光功率了,那么接下來該如何繼續提升實力呢?

    回到我們一開始的想法,接下來是不是該增大光子的能量了?也就是要增大光的頻率。

    1961年,Franken等人將一束紅寶石激光器產生的紅光通過一個石英晶體,發現出射的光變成了紫光[5]。

    從光譜中可以發現,紫光的頻率是紅光的兩倍,也就是說他們實現了光的倍頻。他們發現的這個現象被稱為二次諧波產生。

    好的我們好像實現了需求:增大了光子的能量。

    本篇完……

    開個玩笑,我們再看一下二次諧波是如何產生的。

    前面提到,光就是電磁波。

    在一個物體中,原子核帶正電,電子帶負電,電場作用在原子上時原子核和電子會向兩個相反的方向運動。

    如此就形成了一個偶極子。偶極子會再產生一個電場疊加到外部施加的電場上,從而改變外部電場的大小和方向。這個過程就是電場的極化過程。

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    對于整個固體來說,偶極子帶來的貢獻叫做極化強度,通過一些復雜的求解可以知道,極化強度P的表達式可以寫成外加電場E的冪求和,冪指數對應幾階非線性效應,前面的系數被稱為非線性系數[6]。

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    極化強度與外加電場的關系

    二次諧波產生就是一個二階非線性效應。除此之外還有三次諧波產生,它是一個三階非線性效應,也就是說出射的光的頻率是入射光頻率的三倍。

    在固體中通過非線性效應可以產生數倍頻率的光子,基本能達到紫外光的程度。

    但是依然不夠,我們還能繼續提升自己的實力嗎?

    可以的!

    就是利用飛秒激光電離氣體產生高次諧波,通過這個方法可以實現幾十倍頻率的增強,甚至可以產生X射線波段的脈沖激光[7]。

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    這個過程是這樣的:

    用飛秒脈沖激光作用到氣體原子上將其內部的電子電離。

    電離出的電子經過飛秒激光電場加速獲得很高能量。

    電子再與原子復合,復合過程中電子在光場中獲得的動能與從連續態到基態的躍遷能(等于電離能)之和以高次諧波光子的形式輻射出來。

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    高次諧波產生的三步示意圖,其中最右邊上面兩幅圖是被加速電子額外與其他電子或原子的碰撞過程,最下面一幅圖代表被加速電子與原子復合輻射高次諧波。圖片來源:參考文獻[5]。

    除此之外,人們發現高次諧波產生過程輻射的極紫外脈沖光的脈寬可以達到阿秒級別。

    這樣,我們不僅極大地增強了斯派修姆光線光子的能量,還獲得了比飛秒激光具有更短脈寬的阿秒激光,進一步增強了光線的瞬時功率。

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    如此,這樣的斯派修姆光線已經能實現超強的破壞力了。

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    今天的《奧特必殺技基礎——斯派修姆光線》就講到這里了。

    你,學會了嗎?

    參考文獻:

    [1] 強激光破壞機制研究進展,周益春等,力學與實踐,第17卷,第1期,1995年.

    [2] Principles of Lasers, Orazio Svelto, 1998 4th edition, Springer.

    [3] 紅寶石激光器, 西北電訊工程學院五系, 激光與紅外,1978, (04)

    [4] 激光原理,周炳琨等,2009年第六版,國防工業出版社

    [5] Generation of optical harmonics, P. A. Franken et.al, Phys. Rev. Lett. 7, 118-119 (1961).

    [6] 非線性光學, 石順祥等,2012年第2版,西安電子科技大學出版社

    [7] 阿秒脈沖產生的技術原理及進展,魏志義等,科學通報,2021 年第66 卷第8 期: 889 ~ 901

    來源:中科院物理所

    本文部分圖片來自版權圖庫

    圖片內容不授權轉載

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    評論
    無限探索者
    少師級
    對于迪迦奧特曼來說,他的必殺技有個專業的名字是,哉佩利敖線。他們的必殺技都是以斯派修姆光線為基礎。
    2022-09-28
    大偉????♂?
    少傅級
    光具有波粒二象性,可以認為一束光是由很多個光子組成,每個光子都具備一定的能量,光的頻率越大或者光的波長越小,光子的能量越高。
    2022-09-28
    卜和彥
    太傅級
    高次諧波產生過程輻射的極紫外脈沖光的脈寬可以達到阿秒級別。極大地增強了斯派修姆光線光子的能量,還獲得了比飛秒激光具有更短脈寬的阿秒激光,進一步增強了光線的瞬時功率!
    2022-09-28
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