激光场的物理现象

发布时间：83年10月28日

Н. Г. Басов* 编译臧友松

激光独特的性质使其在许多科学和技术领域得到大量的应用。激光与各种介质作用的物理过程，如早期激光与单原子和分子的作用，乃至近年来开展的与超密等离子体的作用无不基于这些性质，本文所讨论的问题就是发生在激光作用场的一些有趣和不寻常的物理现象，并且集中在高激光能流密度下发生的过程。除了从实验上讨论这些现象而外，文中还描述一些至今尚未被实验所验证，而从理论上预言的一系列效应，其中一些至今还是科学的幻想，也许还要好久才能成为现实。

激光束的热力学特性

已知利用光学系统聚焦普通光束不可能把物体加热到作为热发射源的温度，但是把激光束聚焦在固体表面可以达到几千万度的等离子体温度，此时振荡的激光工作物质还相当“冷”，例如在大多数获得超高温实验所采用的铷玻璃激光介质本身的温度，只有几十度。因为在激光介质中光子与介质不是处于热平衡状态，这就使介质的'温度与光化气体的有效“温度”之间存在很大的差别。

从热力学能量观点，激光是稳定的，光子可以集中在少数（最少一个）的自由度（模式），即提高了光致温度的稳定性。

现在我们可以估量一下激光辐射温度和在激光作用于物质生成的等离子温度有什么样的关系。激光能量是瞬间为等离子体所吸收，此时加热粒子的温度取决于聚焦光斑的面积，光所穿透的深度，被吸收的能量和靶子粒子数的密度。尽管聚焦光斑的面积很小（10^-4厘米²），但在不太大的被加热物质体积内粒子数则相当大（10¹⁵—10¹⁶/厘米³），因此生成等离子体的温度也相当高，可达几千电子伏特（该温度下可以进行热核反应），但是比激光光子的有效温度还要低多个数量级。由此表明以上进行的讨论可以给出合理的定性的轮廓，而不是=种近似的描述，因为这里未考虑等离子体的热导和流体力学的飞散。

在用能量与激光相等的热辐射源加热物质时，在聚斑的温度是很低的，这至少有两个原因：不能做到窄扩散角的各向同性的热辐射（因为只有激光可以提供）和源温过低。

另外，原则上激光辐照可以得到几万电子伏特高的温度（大约10⁸k）。这种理想的极限温度决定于激光能量的大小，使用什么样的聚焦系统和激光与物质相互作用所发生的过程。

激光的功率和相互作用物理学

在激光与物质作用过程中，激光辐射的主要参数是能流密度q（瓦/厘米²）和波长（或频率ω）。激光光子流的密度与电场E的幅度两者之间有一个已知的关系式：q=CE²/8π如，其中C是光速。另外，激光的能流值主要决定光与物质作用的特征；激光所作用的介质的参数也起作用，这些参数决定了激光能量转化成其他能量形式的机制和效率。因此在研究低光子能流密度激光作用场发生的物理现象时，把凝聚相分成金属和电介质，并与气相中发生的过程相区分是合理的。但是正如进一步描述所见到的，在大功率激光辐照下这种差别实际是消失了，而且在所有条件下激光与物质作用的过程均导致与低密度的等离子体的作用。

· 对单原子和分子的作用

假如介质是相当稀薄的气体，那么在低的光子能流密度下激光只与介质中单个原子和分子作用，由量子力学可知，原子（或分子）具有不连续的能级，即可以吸收和发射严格份数的能量（也就是它们具有一定的选择的特殊频率）。显然，以共振方式作用于粒子，即激光的频率与原子或分子一个特定的能级相符合是最有效的。利用这种方法可以把一定类型的原子输送到激发态，或者电离（即打掉原子外层的一个电子或几个电子），用类似的方法也可以激发分子，并且对于复杂组成和结构的分子可以导致空间结构和取向的变化。

当使用连续调谐的激光器来研究选择性作用亦揭示了更为广阔的应用前景。现在这种类型的作用可用于其激发能从0.1到10电子伏特的很大一类物质；除此而外，超短脉冲的激光器业已问世，其脉宽小于被激发原子和分子的寿命；所有这些均扩展了选择性作用方法的发展和许多应用的前景。

作为这种应用可以举出许多实例：同位素原子和分子的分离，高纯物质的制备，单原子和分子的探测，定向的化学反应和制造新的化学物质，所谓激光化学就是基于被激发的原子和分子自动参加化学反应，未被激发的不能参加那些反应。在分离和探测应用中，被分离的原子被激发（或者用二个、三个光脉冲连续作用来电离），随后或者用化学物质来俘获，或者用电场（在离子条件下）来分离。

· 气体的光学击穿

激光与气体介质的选择性（共振）作用并不造成介质的宏观状态，特征压力和体系温度的变化，而主要是影响其内部自由度的变化。

但是随着气体密度的增长和发射功率的提高，在该气体密度下达到与物质作用过程的阈值亦产生了正体效应，引起介质宏观状态的变化，所谓的气体击穿就属于这一类。通常在气体中聚焦大功率激光亦可产生这种效应，在聚焦区产生明亮的闪光等离子体热区，有点像放电现象，这叫做激光火花。

激光火花的产生可以用两种机制来解释：（1）电子在不断的光场作用下从原子壳层脱掉，在原子的多光子离群中可以连续吸收几个光量子（它们的数目决定于电离势Ⅰ和光量子能量hω：n=E）。在光的频率小于电子围绕核转动频率条件下，作用于电子的激光场可以认为是静力学的，并把研究的过程看成电子通过势垒的“渗透作用”——坠道效应。

多光子离解是低气体压力下的光学击穿机制。但是大多数实验研究条件是高压气体（P=1大气压），并且在光学击穿的情况下所实现的过程是通过原子与电子的碰撞，随后发生“电子雪崩”。简言之，这种机制的实质（按经典的说法）在于：被打掉的单个电子（特别是多光子离解产生的电子）落入选用频率为W的光波场，开始振荡，并以一个特殊的，与光场振幅成比例的速度运动。电子与原子弹性碰撞的结果使振荡的电子积累了能量，而且碰撞的频率越大，运动也越快。只有当电子获得的动能超过原子的电离电位时，才可以发生电子从原子上脱落－电离，其结果出现两个自由电子，这两个电子还可以再电离两个原子，又有两个电子从原子放出，以此继续下去电子数目如同雪崩一样增长，并且雪崩进展的特征时间I ~ IW²/qN（N为原子的浓度）。由此可见，光子密度和原子浓度越大，光子频率和离解势越小，击穿的现象越明显，例如大气空气为铷玻璃激光击穿时光子能流密度是q=10¹¹瓦/厘米²，相应的光场强度E₀=10⁷瓦/厘米。

· 对凝聚介质的作用

大功率激光可以把气体变成等离子体状态，随后等离子体可与物质作用（在大的激光脉宽）。正如我们所研究的，在激光与凝聚体和不透明物质（主要是金属）作用时，当光子流达到10⁶瓦/厘米²数量级时，可观察到非常有趣的现象。在这种条件下照射的激光开始为表面部分地吸收，并生成所谓的集肤层（此时照射光的大部分被反射）。其结果反射光能的那个区域温度增加，由此物质承受的压力也增加。假如此时激光的脉宽足够的长，那么比能量（单位质量得到的能量）比分子间的键能（蒸发热）大时，金属开始蒸发，飞散的金属蒸汽与迎面而来的照射光相遇。

现在假如提高激光的强度达到10⁸ ~ 10⁹瓦/厘米²，那么在一定的条件下（如相应的激光脉宽，金属表面质量和电离势）可以造成飞散金属蒸汽的击穿和形成能吸收激光的等离子体。在该情况下在靠近金属表面处首先发生击穿，随后造成的离化波和光引发的波迎着入射的激光。由于在生成的等离子体区的吸收作用，此时也只有部分激光透过而到达凝聚物质的表面。激光照射区的温度是几个电子伏特数量级，它可成为十分强的固有的紫外光源。

· 与高温等离子体的作用

当激光光子能流密度进一步增加到10¹¹ ~ 10¹²瓦/厘米²，可以把等离子体加热到100电子伏特量级，并相应导致飞散速度的增加。此时除了吸收入射光的过程而外，由于电子的热导，能量转移开始起作用，其结果产生了等离子体热区，亦使凝聚体内部热波的分布伴随着流体力学的扰动。

当光子能流密度达到10¹² ~ 10¹³瓦/厘米²时，在固体里分子间和原子间键的断掉，分子离解和原子电离过程发生在极短的时间，远远小于激光脉冲延续的时间。在物理学上这称之为激光与等离子体相互作用的固体转变过程。此情况下等离子体的正体性质是这种相互作用的关键特征。

· 相对论性等离子体。

当激光的能流密度达到10¹⁶ ~ 10¹⁸瓦/厘米²时，相对论效应起着本质的作用。事实上，这样大的光子能流密度相应引入一个场压为10⁹ ~ 10¹⁰伏/厘米的高频电场，这就使振荡电子的速度接近于光速，实际上这里产生的正是相对论性激光等离子体。

最终，在激光光子能流密度达到10²⁹瓦/厘米²时（实际尚未在实验中得到），所涉及到的是核内范围的电场，即相当于进入基元粒子物理学的范畴。现在已有一个理论指出了有关粒子相互转化的效率。

以上提到的相互作用的分类是有条件的，但是按我们的观点这种分类在所有类型的激光作用过程中容易区分各自的类型。现在，我们详细地讨论余下的激光与高温等离子体的相互作用。

高温等离子体里的现象

激光的电磁场首先“摇动”了电子（人们注意到摇动电子比质子容易2000倍），因此在晶格里和分子内部束缚电子最弱的键首先断开，随后开始进入电离态。该阶段发生的过程如同形成电子雪崩和快速电离的现象。光波的能量被电子吸收，然后它们把这些能量传到物质的深层，即发生了电子的热导过程。由离子所决定的物质流体力学运动仅仅发生在电子与离子碰撞之后，这就使它们部分地转移了自己的能量。在大功率激光作用于固体物质生成的典型等离子体密度情况下、转移能量的时间只有10^-¹¹秒。这样，在如此短的时间里物质就转变成等离子体，随后飞散而与迎面来的激光相遇，并且在等离子区间形成按密度和温度的特征分布。

· 电场强度的共振增大

从给出的激光场导致形成的电子振动的全部谱型可以看出它呈现正体特征：电子的宏观系统随着等离子体和激光的参数作为一个正体振动。正如周知的，等离子体的最本质的特征称之为等离子体频率，它取决于等离子体的光学和电学性质。沿着激光的方向在等离子体的深层它的密度也增大，等离子体的频率也随着密度而变化。在等离子频率等于激光频率那点，等离子体的介电导磁率为0，因此激光不可能穿透太深，而未被吸收的激光部分到这里就被反射回去。根据频率相等的条件，我们可以测定该点的等离子体密度，在那点激光不能进一步穿透了，这点叫临界点。在与临界密度点接近时，电磁场的强度共振而增大、并达到最大值，它可比真空场的强度大100倍。共振峰值的高度和宽度取决于激光光能转变成等离子体热能的最大值和测定密度的特征距离。

· 有质动力的力场

在激光达到起作用的能流密度（10¹⁴瓦/厘米²），等离子区域的光压最大，约为3万大气压；并且在等离子体稀薄的外围层热压比光压大1000倍，因此在等离子体形成过程光压的影响可忽略不计。但是在接近临界点的密度下当场的幅度很快增加时，电磁场压沿着相反的和有质动力的力场方向减小，而可以转变成热压。

有质动力力场对等离子体过程的影响可以多种多样：吸收光的适程，离子加速到更大速度的过程等。一种十分有趣的效应——激光在等离子体里的自聚焦与有质动力的力场影响有关，其结果使激光贯穿透过原来对光不透明的区域。

这是如何产生的呢？假如沿着光束径向用不均匀的大功率激光作用于等离子体，则等离子体的密度沿着光束的轴向增长，在径向产生一个有质动力的力场，该力场又在轴向上排挤等离子体，其结果等离子体内部建立了一个稀薄的通道，激光束可以通过该通道贯穿临界点的深处，即穿过不透明区的阻碍。自聚焦现象仅仅在超出临界值几倍的大功率作用下才可发生。在很大程度上这个数值依赖于光束的直径和等离子体的给度。在理想的激光功率下，激光可以穿透这个等离子禁区，此时等离子密度超过临界值20倍。

· 吸收光能的机制

我们现在来讨论等离子体吸收激光光能的机制。在不太高的光子流密度（10¹⁴瓦/厘米²）下，与离子相碰撞的电子吸收光子的过程是主要的，即所谓的停速吸收，此时被吸收光能的百分数可达80—90%。但是在增加光子流密度，这一过程的效率下降了（q与Te^-3/2成反比），开始转变成共振和反常的吸收机制。在不涉及这个相当复杂的过程的详细内容，我们仅指出各种类型为光场激发的等离子体振动彼此间存在的相互作用与光子流密度增加有关。最终，这些作用导致振动能转变成电子的热能。在大的激光光子流密度下，这些电子的光谱按其各自的速度分布，不同于羊衡的麦克斯韦分布，高能粒子的份数（或叫超热快速中子）明显地增加。实验确定这种现象在很宽的光子能流密度范围内均可发生。

· 超热电子

在通常情况下几组快速电子在不均匀的激光等离子体里振动与接近临界密度情况下径向（平行于密度梯度和激光方向）组分的增长有关，并且与等离子体场能量的耗散有关。我们引进切林柯夫效应作为电离机制之一，该效应基于在临界等离子体区由于电子的热运动产生纵向波。在空间上场的共振峰随着纵向波移动俘获了自身的电子，并且把它们加速。因此热电子的速度决定于径向等离子体波，而等离子体波本身又决定于激光的频率和在临界点等离子体的参数。由于这种过程部分电子在比较高能区域发生“转移作用”，从而破坏了麦克斯韦分布。

电子按其能量的不平衡分布可以近似地描述成两个麦克斯韦分布的重叠——热电子和过热电子分布的叠加。在现代实验中，快速电子比热电子的温度高十倍，而且由具有几万电子伏能量的电子组成。

· 快电子

激光等离子体同样也是高能离子源。已有的加速离子的固有机制，如等离子体以光速飞出它们的边界产生真空中等离子体流体力学膨胀，按这种机制在苏联列别捷夫物理研究所“Karbmap”装置上完成的实验可以得到解释，在那里曾经发现了七种能量为30千电子伏硅电离的离子。－

另一种机制认为离子为与自身相符的等离子体电场加速。在激光等离子体里电子的温度总比离子高，并且甚至在相同温度下电子的速度也比离子快(Mi/me)¹^/2倍（Mi和me分别为离子和电子的质量），因此电子在飞行的等离子体中被吸向离子，从而被加速。当膨胀的等离子体的特征尺寸达到电子和离子之间电场的有效半径，离子也达到极限速度。这样，在激光等离子体中的离子可以加速到具有一万电子伏特的能量。显然在等离子体中存在过热电子促进了高能离子的出现，而当这样一些电子的数目变得足够大时，热电子的温度决定了离子的最大能量。借助上述模型测定的离子光谱可以解释大量现代的实验。

· 伦琴射线的变换

在用q=10¹⁴瓦/厘米2的激光作用于靶子，电子和离子的平均温度达到几万电子伏（大约1千万度），在此条件下等离子体导致发射软伦琴射线的过程已成为可能。

首先，这种过程起因于制止电子进入离子场，其结果发射了光子，这种发射光子的过程与前面描述的制止吸收光辐射的过程恰好相反。其次，电子等离子体可以占据离子壳层的空位，也就是复合，并以光的形式发射过量的能量。最后，处于激发态的电子可以跃迁到比较低的能级，同样也以量子形式发射激发能。

在所有这些条件下，发射的量子能量其数量级为几千电子伏特，在那种情况激光光子具有大约1电子伏的能量。这样，激光等离子体成为激光变成软X－射线的特殊转换器，并且这种转换器的有效性随着构成等离子体的元素原子序数的增大而增加。

正如不久前在美国利用金薄片靶子完成的实验所指明的，在吸收激光能量达60%时，可以转换成X－射线的能量。利用许多带电的激光等离子体作为大功率精确X－射线源的可能性揭示了各种应用的前景，如X－射线石版印刷术。

激光辐照下物质的压缩

不久前我们研究了在稀薄的等离子体中发生的一种活塞现象，而根本不涉及靶子的任何蒸发。首先我们把激光作用的物体叫靶子，并且通常激光沿着靶子表面的垂线方向入射。靶子可以是平板、圆筒或者球面。

我们注意到，光线主要在靠近临界密度的点被吸收，而被吸收的能量分布在等离子体的电子中间，所吸收的区间成为电子热导的波源，即可把能量传到密的靶层，也能传到薄的靶层。当热波传到冷的物质层时以超声速分布。由于热导的非线性特征，随着时间其速度很快衰降。热波的速度刚减小到限定的声速，在靶子上就开始出现流体力学的现象。这就意味着在靶子深层开始分布一个冲击波。另一方面该条件表明稀疏的波追上了热波，并且流体力学形式发生变化。因此，热波是独特的造成压力波的活塞。

由于等离子体温度在1千电子伏数量级，其中压力达到几百万大气压，等离子体的飞行速度大约1百万米/秒，因此冲击波阵前的压力为P=10⁶大气压，远远超过固体中键的能流密度（ρ₀C²=10⁴－10⁵大气压），由此与物质的牢固性和结构有关的效应在这种波的作用下全部消失，其结果无论以冲击波形式，还是随后发生的不改变熵的压缩阶段一绝热膨胀均可实现对物质的压缩。

在激光作用下压缩物质的问题十年前就开始了活跃的研究，因为这与激光热核聚变有关。还是在这些研究的早期曾经认为借助于激光不可能达到动力学上有益的热核反应，首先不能压缩核燃料达到很高的密度（10² ~ 10³克/厘米³）；另一方面从激光作用物质产生的巨大压力可以证明明显的压缩物质原则上的可能性是存在的。一种有效的思想是球面积聚。

在激光压缩的现代理论的实验研究中，靶子是具有一定组成的球，它的内部可以用氘氚的气体填充，激光从四面八方射向靶子。

从热力学可知，通过绝热过程（即不改变熵的条件下）可以达到最大的压力。事实上，利用最初的理想气体绝热装置容易证明，冷的理想气体可以绝热压缩到无限的密度。理论上曾经证明使用高强度的激光脉冲（按一定时间规律增长强度的激光脉冲）可以实现这种压缩方式，但是随后的研究为这种吸引人的方式带来阴影。

在通往无限压缩物质道路上的第一个障碍是压力波到来之前不可避免地要加热物质（引起熵的变化）。来自活塞区的冲击波和超快电子引起的熵变起了主要作用。第二个障碍与如下问题有关系：真实的物质伴随着比理想气体更强的压力。最终，最本质的问题是压缩过程的不稳定性。

显然，在激光压缩球型靶子的实际情况下不可避免要出现辐照不均匀性和严格的球对称靶子的偏差，即存在很小的初品的扰动。事实上，当沿着靶子表面扰动的幅度d可以与被压缩的区域R相当，球面的压缩和积聚因密度而破坏。我们可以用如下的公式：

在压缩时产生的不稳定性叫做Рэлей-Тейпров不稳定性。在重力场条件下放在水中的汞就是一个经典的例子，假如部分表面是理想的，光滑的，那么液体就处于不稳定平衡的状态。但是表面无限小的不均匀性最终将导致汞沉入水中。

在球形压缩的情况下，不稳定性的产生至少分成连续的两个阶段：最初不完整的热压活塞加速了靶子的不蒸发部分，其最终阶段是压缩的靶心阻挡外层的压缩，其结果使开始的扰动幅度随着靶子的尺寸和结构，激光光子的多少，以及激光脉冲的时间波形可以增大一百或一千倍。正如在考虑到上述效应的许多计算所证明的，在靶子达到大约10² ~ 10³克/厘米³的压缩密度时可以建立实现自维持热核反应的条件。这样，理论给出了令人信服的预测，而最终的回答总是在实验之后才可以给出。那么现在到底是什么样的局面呢？

全世界的许多实验室已经集中用球形靶子，压缩的密度达到10克/厘米³量级，并且在苏联列别捷夫物理研究所的激光实验室已经得到初步结果。不久前美国加州大学的学者们报道了压缩到30克/厘米³的结果。

在激光等离子体中超强磁场的振荡

激光等离子体不仅是被加速的带电粒子，而且也是振荡的超强磁场。我们注意到，尽管等离子体区本身尺寸不大，但是它是很不均匀的，按其密度梯度、温度、压力和速度在时间和空间上激烈地变化着的物体。

引起磁场电流产生的原因既可以看成来自等离子体空间电荷，也可以看成是离子和电子的速度差。在电中性区间等离子体总的电荷等于0，但是由于粒子在那里的运动按德拜半径的间隔产生了空间电荷，并引起局部的变化（在那种特征的间隔里等离子体电荷的电场以e倍下降）。

在等离子体中，实际上电子的速度总是大大超过离子的速度。正如已经谈到的，由于量子的中性化等离子体中不可能在任何部分都产生电荷的累积，因此电流是闭合的。这种电流对电子的作用力将导致它们轨道的扭变。这本身就是不同本性的力场：流体动力学（正比密度梯度），热压力（决定温度梯度），粘滞力场，有质动力的力场和其他。除此而外，在产生各种类型的等离子体的湍动时磁场振动了，同时也存在几种不稳定类型（如热磁不稳定性）。

通常，磁场振荡的固有的机制与一种类型（或几种）的力场有关系。这样，当存在热力场和流体力学的力场，或者说产生热电子流（热电动势机制）时，呈现这种机制的部分原因是众所周知的：在加热金属样品的两个端点达到不同温度时产生电动势（电位差）。在该例中电动势的数值决定温度梯度。

在等离子体中非视准的温度和密度梯度下产生闭合的电流（与磁场有关）。这里与金属所不同的是流体动力学力场起了主要的作用，这种力场已造成闭合的电子轨道。把聚焦的激光照射到薄的靶子亦可产生这样的结果。已经确定了产生百万高斯强磁场实验条件的几何尺寸（在电子的温度为一千电子伏量级及其温度和密度的变化的特征尺寸为几个毫米）。磁场的测定是沿着转动通过等离子体的激光偏振面进行。测得磁场的强度为10⁵ ~ 10⁶高斯。

如此大的磁场对等离子体的进程有所影响，首先对空间带电粒子的影响。磁场对激光等离子体能量转移过程的影响归结为电子的热导性。尽管形成压力过程的变化，等离子体伦琴射线的大小和角度分布直接测定是很复杂的任务，但是目前理论和实验的比较已经证明这些效应是存在的。事实上，我们已经观测到这些有趣的现象，而且这些结果还是首次获得的。

真空的击穿

正如已经指出的，在激光中电场的压力现在已经等于或者超过了原子内部的特征场。这就使我们有可能直接用光场对原子和分子进行作用，明显的例子是上面所研究的多光子离解过程和与该过程有关的物质击穿现象。目前这些过程无论是从理论上，还是从实验上已很好地为之研究。

现在我们正思考的问题是利用激光可以建立更强的电场。我们提出一个真空光学击穿的条件，也就是在想象的激光中形成电子一正电子对。已经指出此时发生的物理过程与原子在强场的离解十分类似。事实上，为了从原子上打掉电子，必须使光波具有的场强E₀接近于电离电位I，这样的电场强度E₀应当是10⁹伏/厘米，但是由于坠道效应这个数值实际比较低。

最后我们估计在将来可以得到什么样的光子流。假如从今天已提到的激光物理和所得到的实际结果出发，现在正已运转的激光器，按不同类别已经得到脉冲能量10⁴ 焦耳，脉宽10^-¹²秒，聚焦光斑直径10^-⁸厘米^-²，假如把这些参数汇总到一个器件上，那么可以得到的光子流密度为10²⁴瓦/厘米²。

目前还没见到为了实现这个目标有什么不可越过的物理学的禁区。通常激光技术的进一步发展首先是增加能量。下一代激光装置的奋斗目标是输出10⁵ ~ 10⁶焦耳的能量，以达到功率的极限10²⁶瓦/厘米³。正如科学发展史所指明的，随着科学技术的进步和我们对周围世界认识的深化，到那时最神奇的思想迟早会开拓出一条光明大道的。