美国密歇根大学实验室的科学家们近日研制出一种激光束，其强度高于世界上其他现有激光两个数量级，强烈的光束可广泛应用于放射治疗癌症领域，大大有助质子治疗和电子治疗技术的发展。研究成果发表于《光学快报》（Optics Express）在线版上。
科学家添加在“大力神”激光系统上的放大器。
科学家在“大力神”激光系统上添加放大器制成新型激光束。“大力神”是一个掺钛蓝宝石激光器，体积庞大占据了实验室数间房，一旦光反馈进入系统，就会在连续的反光镜和光学元件间发射，这也正是能量聚焦的过程。“大力神”先前的最大输出功率为50太瓦，添加了放大器后激光束的能量可达300太瓦，约是美国所有发电站输出功率的300倍。测量结果显示激光的强度可达到每平方厘米2×1022瓦特，其瞬间能量相当于用一面巨大的放大镜将太阳射向地球所有光束集中到一个沙砾上。激光的发射时间仅为30飞秒，时间极短却可以将能量集中到1.3微米的一个点上，这个大小相当于人类头发直径的百分之一。
另一项新技术是该激光可以每隔10秒即发射一次能量，而其他激光却需要耗费一小时进行再充电。新激光的强大和适应性使其得到多元化应用，更易渗入除医疗领域以外的前沿科技中。例如极端强度的激光束可以达到将真空煮沸的程度，当实验需要时只需将光束聚焦即可。
科学家还注意到新型激光束在惯性约束聚变研究的作用。自上世纪60年代有科学家提出以激光引发聚变的想法后，该技术一直停留在个别装置上。能达到实用规模的激光能量，无论是当时或之后几十年都是难以想象的，而新型激光束使科学家们看到了可行性元素。
据美国《科学日报》今日报道，如果你在宇宙中用一块巨大的放大镜，把所有阳光聚焦在地球上的一颗沙粒上，其光线强度才和美国密歇根大学实验室最近创造的一束激光束差不多。此激光束如此强烈，研究人员认为这创下了世界纪录，可算是世界上最强大的激光束。此研究论文发表在最新一期的《光学快报》杂志上。
密歇根大学物理学和工程学教授卡尔-克罗赛尼克说：“这是我们能制造的瞬间强度，我不知道宇宙其它地方还能产生如此大强度的光线。我们认为这是创纪录的。”
此脉冲激光只持续30飞秒(1飞秒为千万亿分之一秒)。这束创造世界记录的激光强度估算为每平方厘米2百万亿亿瓦特，其瞬间能量输出功率为300万亿瓦，相当于美国整个电网功率的300倍。激光束功率聚焦在1.3微米的斑点上，此斑点直径是人头发直径(大约100微米)的百分之一。此激光束的强度比世界上其它任何激光都要高出2个数量级，每隔10秒就能产生出一次，而其它激光得要再充电1小时才行。
为了实现它，研究人员在HERCULES激光系统上添加了额外的放大器。HERCULES是一种钛蓝宝石激光发生器，在密歇根大学的超速光学科学中心占了几个房间，先前曾产生过50万亿瓦的激光束。在HERCULES中，光就像一个弹球在一系列的镜子和其它光学元件上弹来弹去，不断的被增强、压缩和聚焦。
如此强大的激光束可以帮助科学家开发更好的癌症放疗用的质子和电子束。众所周知，粒子疗法非常昂贵，但它比放疗更受欢迎，因为放疗既杀死癌细胞，同时也杀死健康细胞。粒子装置价格昂贵是由于在粒子加速器中应用粒子非常复杂。然而利用像HERCULES这样的激光器全套装置能实现治疗的低价格，能使癌症患者得到更好地的救治。
除医学应用之外，这类激光的超强特性能够在实验室内产生超强电场、超高辐射温度、超高压、超高加速度等一系列极端物理条件，在惯性约束聚变中可以用于“快点火”机制研究。如此强烈的激光有潜力能“沸腾真空”，从而让科学家将光线集中到真空中，以制造出理论化材料。还有科学家将此用于熔合研究中，在处理过程中哄骗低质量的原子和高质量原子结合，并释放出能量。
另一方面，这类激光的超短特性又是目前唯一可以用来“冻结”并揭示分子、原子内瞬态动力学行为信息的手段，因此，它是近年来最能形成新学科生长点并导致新发现、建立新概念的重要研究工具。目前世界上许多国家的实验室都相继建立了这类激光装置，并用其开展了有关物理、化学、生物及电子学等前沿学科方面的研究。
（《光学快报》（Optics Express），Vol. 16, Issue 3, pp. 2109-2114，V. Yanovsky，K. Krushelnick）
Ultra-high intensity- 300-TW laser at 0.1 Hz repetition rate
V. Yanovsky, V. Chvykov, G. Kalinchenko, P. Rousseau, T. Planchon, T. Matsuoka, A. Maksimchuk, J. Nees, G. Cheriaux, G. Mourou, and K. Krushelnick
Optics Express, Vol. 16, Issue 3, pp. 2109-2114
Keywords (OCIS):
(140.3530) Lasers and laser optics : Lasers, neodymium
(140.3580) Lasers and laser optics : Lasers, solid-state
(140.3590) Lasers and laser optics : Lasers, titanium
(140.7010) Lasers and laser optics : Laser trapping
Abstract
We demonstrate the highest intensity - 300 TW laser by developing booster amplifying stage to the 50-TW-Ti:sapphire laser (HERCULES). To our knowledge this is the first multi-100TW-scale laser at 0.1 Hz repetition rate.
© 2008 Optical Society of America
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