一见“强激光”，立刻想起星球大战中的“光剑”，立刻想到奥特曼的光线必杀技，立刻想起《三体》中用激光武器抵抗最终让人类败得一塌糊涂的水滴，但最终还是想得太少了。“强激光”一词在我们的生活中出现的频率越来越高，甚至一些小伙伴觉得科幻大片中的高科技武器快要实现不为奇怪。

但事实上，激光正在以诸多同具科幻色彩的应用改变我们的生活。目前已经实现的应用就有激光工业加工（焊接、切割、清洗等）、激光3D全息投影、激光通讯、激光操控细胞、激光无创手术等。在未来，激光还将有望在核聚变、激光引雷、量子计算、太空垃圾清扫、卫星/飞船供能、宇宙探索、真空结构研究、癌症治疗、激光推进等不可胜数的方面获得成功应用。而这些科幻般的应用绝大部分都离不开接下来介绍的强激光。

图1 戴拿-光线必杀技

强激光不是指某一种激光器，而是一大类激光器[1]。激光领域内，不同研究方向的人们通常以高平均功率激光、大功率激光、高能激光、高功率激光、超短超强激光、超高峰值功率激光等来描述各自研究的强激光类型。

单从功率角度看，这些激光器都具有输出功率高的特点，在英文中都可以译为High Power Laser。因此，对于初步接触激光器或者非相关领域的门外汉来说，这些词汇让人摸不着头脑，经常容易混淆。然而，强激光有着意义重大的研究方向和应用场景，而且正在改变我们的生活，有必要对其有一些常识性的了解。

接下来就通过简单的科普带大家一探究竟。

聊强激光之前，我们先了解一下激光。激光（英文名：laser）是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”的缩写，即“通过受激辐射产生的光放大”。1964年钱学森（1911-2009，世界著名科学家，两弹一星元勋）建议将“laser”命名为“激光”，“激光”一词音义俱佳、朗朗上口，自此被正式使用。不过，我国台湾、港澳地区到如今仍采用直接音译的“镭射”代指“laser”。

那么，如何理解“激光是通过受激辐射产生的光放大”呢?首先引用激光之父——汤斯（Charles Townes，1915-2015，1964年诺贝尔物理学奖得主）先生的话：“激光就是光的放大。当光穿过物质时，物质释放了能量，把能量给了光。”这是一句通俗且高度概括性的话，它告诉我们激光的产生源于光通过物质时被不断地放大。这里的物质通常也被称为增益介质（gain medium），可以是由分子/原子构成的固体、液体或气体，也可以是等离子体气体或者自由电子气体。我想你可能已经猜到受激辐射是光与物质作用的某种过程，要真正理解这个过程，我们需要借助如图2所示的能级图。

物质中的分子/原子既可以处于高能量状态E₂，又可以处于低能量状态E₁，但处于高能态E₂的分子总是不稳定的，它喜欢向低能态E₁“跳跃”，“跳跃”过程中能量会以光子的形式释放，我们将其称为辐射。

如果这种“跳跃”是自发进行的（没有入射光激发），我们就把这种“跳跃”释放光子的过程称为自发辐射，这种自发辐射产生的光子之间是没有关联的（不相干的），这也是普通光源的发光原理。如图2所示，一个“频率适合”的入射光子经过高能态的分子/原子时激发了这种“跳跃”，使得“跳跃”的过程中释放了一个和入射光子完全相同的光子，那么这种“跳跃”释放光子的过程就称为受激辐射。受激辐射的过程中，入射光子从高能态分子中获得了能量，变成了两个一模一样的光子。如果能建造一类装置，让光不断通过高能态的分子来发生受激辐射，那么光子就会被迅速的“复制”从而实现光放大，这种由受激辐射放大的光就称为激光，产生激光的装置就叫激光器。

正是由于受激辐射过程产生的相同光子的特点，使得激光器有许多普通光所没有的优良特性。主要包括：

1）方向性好：发散角很小，可以长距离传输而不发散。

2）相干性高和单色性好：激光的颜色（频率）非常纯，能实现在长距离和长时间内相干（发生干涉）。

3）亮度高和能量密度大：激光的输出能量可以集中在非常小的空间尺度和时间尺度内发射，所以亮度和能量密度都极大，这一点也是强激光的特点。

说来简单但行之不易，从1917年爱因斯坦提出受激辐射的概念到1960年梅曼（Maiman, 1927-2007,美国著名物理学家/工程师）建造出第一台激光，前人们经历了漫长且艰辛的科学探索过程。感兴趣激光发明史的同学可以看物理所常国庆老师的一篇科普文[2]以及朱安远在缅怀汤斯先生逝世一周年之际所著的文章[3]。另外，由于篇幅所限，以上对激光产生原理的介绍也只能点到为止，感兴趣激光产生原理的同学可以查阅任意一本激光相关教材。

激光发明后，激光技术遍地开花，激光的应用也如雨后春笋般涌现。同时，具有高亮度、高功率特点的强激光因其诱人的应用场景被重点研究。我国的领导人和科学家在这个方面是富有远见的，一开始就对强激光科技事业高度重视，在1965年组织立项了一批重大项目。正是早期的重视和投入，为我国现在能在强激光技术领域处于全球领先水平打下了一个非常好的基础。经过近六十年的发展，强激光科技事业正如日中天，各项物理参数不断被刷新，各种瓶颈问题不断被突破，各类激动人心的应用距离成功正越来越近。

根据科研目标和应用需求上的差别，强激光可以大体分为三大研究类别，分别为超高平均功率强激光、大能量短脉冲强激光、超短脉冲超高峰值功率强激光。下面将从这三个方面向大家介绍。

在此之前，需要先了解一些激光输出的参数。根据能量输出的持续时间，可将激光分为连续光、准连续光、短脉冲光、超短脉冲光。所谓“脉冲”就是指在时间上不连续的输出，用脉冲宽度（简称脉宽）描述脉冲持续时间长短，用脉冲能量描述单个脉冲包络的能量，用重复频率（简称重频）描述一秒钟内输出的脉冲数量，用平均功率（Average power）描述一秒钟内输出的总能量，用峰值功率（Peak power）描述单个脉冲所能达到的最高功率（数值上等于脉冲能量比上脉宽）。

描述强激光功率的常见单位有千瓦（KW）、兆瓦（MW）、吉瓦(GW, 1 GW = 10⁹W)、太瓦（TW, 1 TW = 10¹²W）、拍瓦（PW, 1 PW = 10¹⁵W）。描述强激光脉宽常见单位有毫秒（ms）、微秒（μs）、纳秒（ns, 1 ns = 10^-9s）、皮秒（ps, 1 ps = 10^-12s）、飞秒（fs, 1 fs = 10^-15s）。

3.1 超高平均功率强激光

这一类强激光以输出超高的平均功率（从数十千瓦到几兆瓦）为主要特点，以更高的平均功率、更好的光束质量、更高的能量转化效率为研发导向，输出类型主要是连续和准连续（脉宽在微秒量级，重频在Hz量级到10 KHz量级）输出，通常所说的“高能激光”、“大功率激光”多指此类激光器。由于此类强激光在工业、军事和空间科学方面巨大的潜在价值，一直以来都是各国的研究焦点之一。

目前，以化学储能介质、气体、光纤、固态晶体为增益介质的激光器都能实现高平均功率的激光输出[4]。其中，最早得到发展的是气体激光器，早在20世纪70年代，美国人建造的CO₂激光器输出功率就达到了400 千瓦（KW），但是这类激光器体积庞大，应用不便。

不过，数十千瓦高平均功率的短脉冲（ns量级）激光器正被用作产生极紫外光（EUV）的强大驱动源，是我国EUV光刻机的卡脖子技术之一[5]。目前为止，能实现最高平均功率输出的是化学激光器，氧碘激光器和氟化氘化学激光器均已实现兆瓦量（MW）级的强激光输出，但是这类激光器的应用仍受燃料的循环使用、稳定性和小型化等方面的问题制约。

进入本世纪以来，由于近红外短波区半导体激光器（LD）的发展成熟，利用LD泵浦的固体激光器和光纤激光器都获得了巨大的成功，这两类激光器都有体积小、应用方便等显著优点。目前，美国的IPG公司已经报道了500 千瓦的全光纤激光输出[6]，国内的南华大学等单位也成功研制100 千瓦量级的光纤激光器，但是这些高功率光纤激光器均采用多束功率合成输出，光束质量都不是很好，仅适合应用于工业加工领域。相较光纤激光器而言，LD泵浦的固体激光器拥有更好的光束质量，激光输出能力在10~100 千瓦量级。

随着此类强激光的发展成熟，将有望在工业智能制造、空间供能，太空垃圾清理，钠导引星，激光武器等方面发挥重大作用。这些应用听起来是不是都非常具有科幻色彩？这里给大家简单介绍几个例子：

3.1.1 空间激光“清扫”太空垃圾

大家有没有想过我们发上天的卫星最后都去了哪里？答案很简单，一部分落入大气层烧毁，一部分则变成了“太空垃圾”。随着航空航天技术的发展，只会有越来越多的人造物体升空，但是它们都不会永远运行下去，它们可能会停留在太空中，从而产生了大量的“废弃物”——太空碎片垃圾。

根据空间专家的估计，地球附近的太空中有大大小小的空间碎片上亿片。由于太空垃圾在轨道上以每秒7km以上的速度运行，动能巨大，若运行中的航天器与它们相撞可能会严重损坏，甚至威胁到宇航员的生命安全。

目前，高能量的脉冲激光是解决这类碎片的最佳手段，因此受到高度重视。当这类强激光照射到碎片时，将使太空碎片熔化为无害的等离子体，在减少太空垃圾数量的同时，又不会在原处增加更微小的太空垃圾流云[7]。但是目前仍然面临两个问题：如果将激光器装在地面上，则必须通过大气传输，能量和光束质量严重下降；若装配到太空中，则激光器的能量供给无法得到有效保障。

图3 人造卫星及太空碎片分布图

3.1.2 给天文望远镜做“白内障消除手术”

由于天体发出的光波经过浓密大气层时，会受到永不停息的大气湍流扰动影响，使光的波前发生了畸变，使得地面望远镜接收来自宇宙的光时难以获得高分辨的图像。因此浓密的大气扰动对于天文望远镜而言犹如病人眼球里的白内障，都会让图像变得模糊。

那么，怎样去消除这种模糊呢？科学家想到了一种方法——人造一颗参考“星星”来测算大气扰动。利用这颗“星星”作为参考，可以获得大气对光波前扰动的数据，再结合一些算法就可以从图4(a)得到图4(b)所示的高分辨的图像了。

问题又来了，如何造“星星”呢？采用589nm的高功率激光激发距离地面90 km高处大气电离层中的钠原子可产生高亮度的“星星”。我们通常把这种“星星”叫做“钠导星”，激发钠导星的激光器称为“钠信标激光”[8]。高功率钠信标激光的获得是比较困难的，它需要用上文提到的强激光作为驱动源。目前，国内外都在开展相关研究，图4中(c)、(d)为试验图片。

图4(a)&(b)自适应光学-校正大气干扰前后Keck望远镜对银河系中心成像

图4(c)&(d)欧洲南方天文台&中科院理化所钠导星激光器

3.1.3 给航空/航天器“投喂”

有没有想过一架无人机从起飞后就不再降落，一个卫星在黑夜里也能充电？这些想法在未来都可能成为现实，需要的是一台高平均功率的强激光，一个转化效率高的光伏接收器以及一个定位控制系统。有了这三样东西，我们就可以给大气层中的航空器或者太空中的航天器提供能量了[9]。

当然，如果遇到雾霾或者阴雨天气这种由地面到太空的能量传输就会失效，因为雾霾真的可以防激光，这时只能期待有一块超强的储能电池了。虽然从地面到空间的能量传输容易因天气而受阻，但是将这项技术用在太空中却是极好的。

目前，许多国家都在研究通过激光将能量从太阳光源照射下的卫星传输到低地球轨道上的较小卫星[10]，这项技术被称为“激光驱动无线能量聚束”。

图5 空间卫星供能示意图

3.1.4 用作激光武器

由于激光以光速（宇宙无敌）传输能量，且能量集中，所以激光用作武器可实现精准且迅速的打击效果，受到各国的青睐，被誉为“未来武器”。但由于目前高平均功率强激光的功率和光束质量还难以满足此类应用的要求，以及激光传输过程中容易受到大气干扰，激光武器距离真正实用的时间还不可预知。

图6 激光武器战场概念图

3.2 大能量短脉冲强激光

大能量短脉冲强激光主要以输出脉宽短和脉冲能量巨大为特点，脉冲能量从百焦耳量级到兆焦耳（MJ）量级，脉宽一般为纳秒（ns）量级，峰值功率从吉瓦量级（GW）到太瓦（TW）量级，通常所见的“高功率激光”多指此类强激光。由于钕玻璃可以造的很大，因此长期以来这类强激光都以钕玻璃为增益介质，但是钕玻璃存在热导率低、散热差的缺点。正因为这些缺点，这类强激光通常是单发的，即发射后需要经过相当一段时间才能继续进行下一次发射，这严重限制了相关应用。

随着冷却散热技术的进步以及性能更优异的Yb:YAG晶体生长技术的成熟，新一代以Yb:YAG为增益介质的大能量短脉冲激光正在成为研究热点。未来，这类强激光将向短时间内能实现重复发射的方向发展，既保证短脉冲大能量，又能实现高平均功率输出。就目前的报道来看，英国卢瑟福实验室建造的DiPOLE强激光系统具有地表最强的指标，该系统基于低温气体冷却的多板条Yb:YAG，实现了输出脉冲能量100 J级／脉宽10 ns／重复频率10 Hz的总体能力[11]。

这类强激光主要用途包括三个方面[12]：

1）作为惯性约束核聚变的激光驱动源。

2）利用强激光创造出类似于天体环境的高能量密度（HED）物质状态，从而探索、揭示极端条件下物质的新结构和新特性。

3）作为下一节将介绍的超强超短激光的强大泵浦源。

图7 激光点火核聚变原理图

其中，最受重视也是最激动人心的应用当属强激光驱动的惯性约束核聚变。基本原理如图7所示：利用大能量短脉冲的强激光精准地将直径毫米级的聚变燃料小球直接或间接地压缩并加热到上亿度的高温，让聚变燃料（氘和氚）能够自发进行热核聚变反应。如果这种可控的核聚变能够成功，将彻底解决困扰人类的能源问题，是最具革命性的科技进步（没有之一）。

图8 建设中的美国国家点火装置（NIF）

现在很多国家都建设有这类装置，其中最典型的代表是美国利弗莫尔国家实验室（LLNL）在2009年建成的国家点火装置（NIF），如图8所示。NIF实现了192束强激光组束，总输出能量1.8 兆焦耳，峰值功率达520太瓦（TW），脉宽5~10 纳秒。我国在这个领域也处在领先水平，2015年建成的神光-Ⅲ聚变装置共有48束激光组束，总输出能量为18万焦耳，峰值功率高达60 太瓦，是世界上投入运行的第二大激光驱动器。

3.3 超短脉冲超高峰值功率强激光

这一类强激光器以超高的峰值功率为特点，主要以创造前所未有的极端强场为导向，脉宽在飞秒（fs）量级，单脉冲能量在百毫焦耳（100 mJ）量级到千焦耳（KJ）量级，通常又称为“超短超强激光（Ultra-short and Ultra-intense Lasers）”。

目前全世界都在争相建造更高峰值功率的强激光，人类现在已经实现的水平为峰值功率10 拍瓦（PW，一拍瓦等于一千万亿瓦）量级。我国在这个方面处于世界领先，上海光机所在2019年实现了12.9 PW激光输出，创造了世界最高功率记录，正在筹建100 PW级超强激光。可能大家不能体会到这些数据到底意味着什么，这里给出三个形象的解释：

1）超高功率：10 PW 相当于在小于10^-13秒（十万亿分之一秒）的瞬间有超过世界电网平均功率100倍的瞬时功率。

2）超强场：如果将100 PW的脉冲激光聚焦到一个直径几个微米的斑点上，那么这个微小区域的强度将达到惊人的10²⁴W/cm²（瓦/平方厘米）——比太阳光直射地球的强度高出约25个数量级。

3）超高压：如果将10 PW脉冲激光聚焦后打到物质上可以产生等离子体，这种等离子体内部的压强将大于10⁹个大气压 （1Gbar），相当于在一个大拇指上放上10艘全负荷的尼米兹级航空母舰的压强。

以上三个解释源自物理所李玉同和上海光机所李儒新两位老师的报告。

那么，为什么要研究超短超强激光？主要原因可归纳为以下两个方面：

///一是超短超强激光是研究物质世界的“神奇探针”，在其所创造的超强场、超高压、超高温条件下，蕴含着许多尚未知晓的新物理，是未来非常有望出现诺贝尔物理学奖的领域之一。

///二是超短超强激光可以用来加速电子和质子等带电粒子，通过超强激光加速获得的高能电子和高能质子在科学探索和医疗方面发挥着重要作用[13]。

其中，近20年来得到快速发展的超强激光驱动等离子体加速器因其超高加速梯度(1~100 GV/m)，将有望被应用于未来的超高能（>1 TeV）直线电子对撞机中，这对高能粒子物理的研究至关重要[14]。下面就这两个方面简单给大家介绍两个相关例子：

3.3.1 研究真空结构，产生真实粒子

大家可能会问为啥要研究真空结构？真空不是什么也没有吗？其实，根据量子电动力学，真空并非一无所有，真空中有统计上有限的正能量，叫做空间的零点能，也就是说真空中至少是有能量的。

那么假设你还听说过爱因斯坦的质能方程E = mc²，你就会知道质量和能量是可以相互转化的。因此，有能量的真空中可以产生真实的粒子（如电子），但是需要一个超级强的电场（大约是10²⁹W/cm²）来激发，这个阈值电场被称为Schwinger极限。因为“凭空”从真空中产生实物粒子，因此很多时候把这个过程叫做“真空击穿”或者“真空撕裂”。

可是要产生如此强的电场仍然力有未逮，不过最近有研究表明，由于不存在理想的真空，因此从非理想真空激发产生实物粒子所需的激光强度将远小于Schwinger极限[15]。

为了便于理解，以上的描述并不严谨。严谨的说法是：真空中存在量子涨落（可以视作真空本身存在虚粒子和反虚粒子的不断出现和消失，如图9所示），在具有足够能量的激发下，我们能利用这些空的空间的电磁属性来产生真实的粒子-反粒子对[16]。

图9 真空中的虚粒子对的出现和消失

3.3.2 “激光质子刀”精准杀死癌细胞

大家知道，由于对癌症缺乏特效药和有效的治疗手段，癌症几乎成了的绝症。目前最普遍的疗法是“放疗”，所谓“放疗”就是用高能量的X射线（一种波长极短的光）穿透身体杀死癌细胞。但是X射线在穿透身体时，不仅杀死了病灶处的癌细胞也杀死了表层的健康细胞，对人体危害特别大。

今天介绍的“质子刀”和“放疗”相比，能高效的杀死癌细胞但对健康细胞伤害很小，因此被形容为“治癌神器”或“肿瘤杀手”。“质子刀”实质上就是利用高能量的质子（一种实物粒子）来替代“放疗”中的X射线杀死癌细胞。由于高能质子在物质（如人体内）中传输时损失的能量很小，且经过一段传输距离（如身体表层皮肤）后，质子束的大部分能量会沉积在末端（肿瘤所在之处），因此能实现精准杀死癌细胞。但是要获得这种高能量质子非常困难，通常需要建一个大型的加速器，这使得质子刀癌症治疗没有获得推广。

然而利用超短超强脉冲在等离子体中激发的超强静电场却可以在非常小的空间内获得高能质子[17]，这一技术使制造小型化的质子刀装置——“激光质子刀”成为可能，技术概念图如图10所示。

目前，相关的装置研究和应用示范正在不断落地，相信在不远的将来我们就可以用激光质子刀治疗癌症。

图10 强激光加速的高能质子用于治疗癌症

虽然在讨论强HTH登陆入口网页 时功率是最常提及的指标，但实际上决定能否成功应用的根本是亮度。目前限制高平均功率强激光发展的一个关键问题就是随着功率的提升，光源亮度并没有同步提高，究其原因是功率提升时光束质量非线性下降。

同样问题在高峰值功率的激光器中也存在，特别是应用于惯性约束核聚变的强激光更需要非常好的光束质量。因此，输出功率和光束质量是研制强激光装置时必须追求的两个核心性能。那是什么导致了输出功率提升时，光束质量下降了呢？答案是“废热”。所有的激光器的能量转化效率都不可能达到100 %，这就使得在发射激光的过程中，增益介质积累了非常多的热量，这些热量使得增益介质温度分布不均匀，从而产生了热变形、热致折射率变化，最终使光束质量下降。

同时，为了散热，高峰值功率的强激光无法在短时间内实现重复发射，极大的限制了应用。这些由废热的存在所导致的问题我们称之为“热负载受限”，笔者幻想如果有一种如图11所示的“寒冰掌”高热流密度散热工具，那么这种热负载受限问题将获得非常大的解决！

图11 理想-寒冰掌冷却强激光

当然，散热只是共性问题，对于大能量短脉宽的高功率激光器来说还存在功率负载受限的问题，对于超短超强脉冲激光来说还存在通量负载受限和脉冲对比度提升困难的问题[18]。

从1917年爱因斯坦提出受激辐射的概念以来，已经一百多年过去了，激光的发明和发展都留下激动人心的故事，但一个个惊人的故事仍将续写。笔者认为此时的强激光仍处其少年时期，未来将在其应用领域大放异彩。

由于笔者初生牛犊，水平实在有限，文中定有不妥之处，希望各位指正。

[1] 中国人民解放军总装备部．高峰值功率、高能量激光参数术语：GJB8546—2015[S]. 北京：中国航空综合技术研究所，2015

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

[3] 朱安远. 激光之父:1964年诺贝尔物理学奖得主汤斯博士——深切缅怀汤斯教授逝世1周年(一). 中国市场. 2016(01):190-7.

[4] 罗乐, 麻晓敏, 李建设, 黄英, 邓善熙. 飞秒激光和大功率激光的发展与应用. 合肥工业大学学报(自然科学版). 2005(12):1610-3.

[5] 宗楠, 胡蔚敏, 王志敏, 王小军, 张申金, 薄勇, et al. 激光等离子体13.5 nm极紫外光刻光源进展. 中国光学. 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] 谢仕永, 黄康胜, 孙勇, 王久旺, 王彩丽, 薄铁柱, et al. 用于自适应光学的钠导星激光器研究进展. 科技导报. 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, 刘廷昊, 雷新星, 巩马理, 柳强. 二极管泵浦重复频率纳秒高能固体激光器研究进展. 中国激光. 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] 王贻芳, 鲁巍. 粒子物理及高能加速器的未来? 新原理加速器能行吗?

[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] 张小民, 胡东霞, 许党朋, 王静, 程鑫彬, 刘军, et al. 浅论强激光系统的物理受限问题. 中国激光. 2021;48(12):1201002.