─ 高能激光器相关资料 ─

科学家利用激光成功制造人工闪电(图)
http://www.sina.com.cn 2008年04月16日 07:05 新浪科技

  新浪科技讯 北京时间4月16日消息,据国外媒体报道,法国和美国的科学家日前称,他们最近在高度为3200米的山峰上进行了一次模拟试验,利用高能激光装置向经过这里的雷暴发射激光脉冲,首次成功地在自然界中制造出人工闪电。

  利用激光制造人工闪电

  在最新一期出版的《光学快报》杂志上,法国里昂大学的科学家和美国的研究人员联合公布了公布了他们的最新实验情况。法国里昂大学的杰姆-卡斯帕里安是此次研究的负责人,他说,在著名的本杰明-富兰克林风筝实验的现代版中,研究人员们在位于美国新墨西哥州高10500英尺(约3200米)的南伯帝峰顶端放置了一个移动激光器,并向2个经过的雷暴发射激光脉冲,结果在云中产生了雷电活动。杰姆-卡斯帕里安说,“在此次新墨西哥实验中,我们并没有真正产生从空中延伸到地面的全面雷击,不过果真创造出了云中电流的小型局部放电。这项工作展示了人工闪电中先期的闪光。这是使用激光束引发雷击中最重要的第一步,我们首次在雷雨云中发出了闪电先兆。”

 


   我国超强超短激光技术达国际先进水平

高效率太瓦级飞秒激光装置建成


  本报讯记者王翰林通讯员曾先才报道:我国自力更生设计研制并以国产元件为主的高新技术仪器设备———高效率太瓦级飞秒激光装置,在中科院物理所建成,并于国庆节前夕通过了以中科院院士王大珩、贺贤土为首的专家组的验收。专家组认为:“该项目取得了突破性的进展和重要成果,是我国自力更生设计研制高新技术仪器设备的一个成功范例。这套装置的研制成功,标志着我国在超强、超短激光技术这一世界前沿高科技领域进入了国际先进行列”。
  这套由中国科学院物理研究所开放实验室在国家自然科学基金、国家高技术“863”惯性约束聚变主题和中国科学院的支持下,研制并建成的装置,是一台峰值功率太瓦(1012瓦)级的飞秒(1015秒)脉冲掺钛蓝宝石激光装置。该装置针对目前国际上这类研究中普遍存在的一些问题,创新性地提出了一系列行之有效的技术方案,克服了光谱窄化效应、种子脉冲展宽不足、预放大效率低等问题,仅用290毫焦耳的倍频ND:YAG激光泵浦,获得了放大能量36毫焦耳,压缩脉宽25飞秒,对应峰值功率1.4太瓦,输出稳定(±3%),光束质量优良的技术指标。
  该装置在单元器件的研制中,所设计的振荡器不仅能非常稳定地产生小于13飞秒的种子脉冲,而且已发展成了目前所见体积最小的实用化紧凑样机。该装置采用独特结构建立的八通预放大器在35毫焦耳的泵浦下,得到了大于8毫焦耳的单脉冲能量,对应效率远高于目前国际上所报道的最好结果。
  据专家介绍,采用脉冲放大技术的超强超短激光的新原理及技术研究是激光科学最前沿的课题之一。利用该技术产生极高的峰值功率及极短的脉冲宽度也是科学家们一直努力追求的具有挑战性的目标。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。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、生物及电子学等领域前沿学科的研究。我国这套装置的研究成功,将有利促进我国有关前沿学科的发展。

  科技日报 1999年11月8日 星期一 [第1版]-[要 闻]

飞 秒 激 光

  激光曾被视为神秘之光,并已被人类广泛使用。近年来,科学家研究发现了一种更为奇特的光--飞秒激光,飞秒激光是人类目前在实验室条件下所能获得最短脉冲的技术手段。它在瞬间发出的巨大功率比全世界发电总功率还大。科学家预测飞秒激光将为下世纪新能源的产生发挥重要作用。激光的历史还不到40年,是目前人类观察发现微观世界,揭示超快运动过程的重要手段。而且众多科学技术的研究因此获得了突破性发展。

  飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光,持续时间非常短,只有几个飞秒,一飞秒就是10的负15次方秒,也就是1/1000万亿秒,它比利用电子学方法所获得的最短脉冲要短几千倍,是人类目前在实验条件下所能获得的最短脉冲。这是飞秒激光的第一个特点。飞秒激光的第二个特点是具有非常高的瞬时功率,可达到百万亿瓦,比目前全世界发电总功率还要多出百倍。飞秒激光的第三个特点是,它能聚焦到比头发的直径还要小的空间区域,使电磁场的强度比原子核对其周围电子的作用力还要高数倍。

  飞秒激光的这些特性是如何实现的呢?高功率飞秒激光系统由四部分组成:振荡器、展宽器、放大器和压缩器。在振荡器内,利用一种特殊技术获得飞秒激光脉冲。展宽器将这个飞秒种子脉冲按不同波长在时间上拉开。放大器使这一展宽的脉冲获得充分能量。压缩器把放大后的不同成分的光谱再会聚到一起,恢复到飞秒宽度,从而形成具有极高瞬时功率的飞秒激光脉冲。

  飞秒激光有什么用途呢?众所周知,物质是由分子和原子组成的,但是它们不是静止的,都在快速地运动着,这是微观物质的一个非常重要的基本属性。飞秒激光的出现使人类第一次在原子和电子的层面上观察到这一超快运动过程。基于这些科学上的发现,飞秒激光在物理学、生物学、化学控制反应、光通讯等领域中得到了广泛应用。特别值得提出的是,由于飞秒激光具有快速和高分辨率特性,它在病变早期诊断、医学成象和生物活体检测、外科医疗及超小型卫星的制造上都有其独特的优点和不可替代的作用。

  物质在高强度飞秒激光的作用下会出现非常奇特的现象:气态、液态、固态的物质瞬息间变成了等离子体。这种等离子体可以辐射出各种波长的射线的激光。高功率飞秒激光与电子束碰撞能够产生硬X射线飞秒激光,产生β射线激光,产生正负电子对。

  高功率飞秒激光在医学、超精细微加工、高密度信息储存和记录方面都有着很好的发展前景。高功率飞秒激光还可以将大气击穿,从而制造放电通道,实现人工引雷,避免飞机、火箭、发电厂因天然雷击而造成的灾难性破坏。利用飞秒激光能够非常有效地加速电子,使加速器的规模得到上千倍的压缩。高功率飞秒激光与物质相互作用,能够产生足够数量的中子,实现激光受控核聚变的快速点火。从而为人类实现新一代能源开辟一条崭新的途径。
  ——中央电视台 科技博览 资料


雷 电 之 功
  众所周知,雷鸣电闪是一种惊天动魄的大气现象,同时也更应该知道,它还是一种可贵的气候资源,为人类的发展作出过不可磨灭的贡献。

  关于生命的起源有一种化学演化学说,这种理论认为早期地球冷却后,火山喷发出大量的氢、氮、甲烷、氨、一氧化碳、二氧化碳和水汽等,这些气体在紫外线、地球雷电的作用下,在原始大气中生成了最早的有机化合物,并由雨水带进海洋。含有有机物的海水在亿万年的演化中渐渐合成了蛋白质等复杂的高分子物质。最后,具有自我复制的原始生命体出现了。这一假说在1952年由美国科学家证实是可能的。

  雷电对人类的第一个直接贡献是教会了人们用火,这对人类发展是极其重要的。那时的森林火灾没有人为原因,因为人还不知道用火,雷电是其主要原因。森林火灾过后人们在森林中找到被烧死的动物,滋味远比生吞活咽好得多。森林火灾又使人得到了火种,而且在很长的时期中人们还只会用这种自然火种。只有在后来人们知道钻木取火之后,才改变这一状况。为了说明火种的重要性,在希腊神话中还有天神普洛米修斯盗天火给人类的故事。中国古代有燧人氏钻木取火的传说。虽然,未必真有燧人氏其人,但钻木取火对人类是太值得纪念的大事,所以用神话形式一代一代地流传至今。

  雷电是空气中的氧与氮两种气体电离并化全成一氧化氮和二氧化氮的原动力。后两种气体被雨水溶解落在地面后与土壤中的矿物质化合成易被植物吸收的氮肥。人们发现,在常受雷电打击的高压线附近的土壤中氮肥较多,作物生长较好。有人估计,每年雷电制成、并落到地面的氮素高达4亿吨。

  雷电还可引起地面与高空之间的电位差。这个电位差越大,植物的光合作用与呼吸作用也越发达。研究表明,雷电之后1~2天内植物的新陈代谢过程旺盛,长势也好,据估计,如果在作物生长期内有5~6次雷电,作物成熟期可缩短一周左右。

  雷电使环境净化。雷电能促使氧气发生化学变化,生成有漂白与杀菌作用的臭氧。

  雷电中有巨大能量。一次放电能量就高达1~10亿焦耳。人们一直想利用这个能量。美国某工程物理研究所的研究结果表明,如直接引用雷电中有大脉冲电流,所产生的冲击力能夯实大面积的地基。根据高频感应加热原理,利用雷电产生高温,使岩石内的水分膨胀,可以破碎岩石,达到同爆破开采同样的目的。对此,日本已成功地进行了试验。但是,直接使用雷电的能量,至今还只是一种设想,不过,随着科学技术的发展,这并非不是可能的。


美国客机被闪电击中机头严重损毁


闪 电 之 最
  人眼可见的闪电长度变化是很大的。由于山区地带的云层较低,故闪电的长度往往很短,不会超过91.4米。而平原地区因为云层的高度很高,故从云层引发的闪电长度较长。在一些最极端的情况下,平原闪电的长度为32.186公里。而在一般情况下,它的长度为6.437公里。闪电最亮的中心是极窄的。据一些专家估计,它的直径只有1.27厘米。这个中心由3-6米宽的“放电光环”所环绕。

  闪电的主雷道的下击速度每秒钟可达160.93公里至1609公里,而强大的回程电则高达每秒钟140009.1公里,几乎是光速的一半。

  几百万次电击才有一次巨大的放电。这时,闪电从雷雨云的顶端向地面闪击而后又回到云层的顶部。

  已记录到的带正电荷的这些巨大云块,其能量可达30亿焦耳,其温度达3万摄氏度,比太阳表面温度还高5倍多。


用袖珍激光器探雷

  德国科学家发明了一种袖珍激光器,它能发现和确定位于地下的物质,其中包括金属和爆炸物。

  这种激光器从外表上看,很像普通探雷器的探棒,它的工作原理是激光辐射光谱分析。

  小功率激光器发出间隔为1纳秒的光脉冲,光脉冲沿光纤传输到袖珍激光器探棒末端,强激光束会使被检测物质发生电离,从而形成等离子体。

  分析等离子体辐射的波长就可以确定该物质的化学成分。一次这样的分析耗时约20秒。美国曾试验过利用直接加热方法消除地雷。

摘自《北京科技报》2004年03月24日