奥特曼可以靠打怪兽拿诺贝尔奖！
来源： 中科院物理所 发布时间：2022-09-29
奥特曼和怪兽的战斗过程一般是：
奥特曼和怪兽先战斗三分钟，
重伤的怪兽乖乖站在那里等死，
奥特曼发射必杀光线击杀怪兽。
对于迪迦奥特曼来说，他的必杀技有个专业的名字：
哉佩利敖光线。
但是不管是哪个奥特曼，
他们的必杀技都是以斯派修姆光线为基础的。
今天就来手把手教大家如何发射高杀伤力的斯派修姆光线。
01
产生激光
biubiubiu~
我们都知道光具有波粒二象性，可以认为一束光是由很多个光子组成，每个光子都具备一定的能量，光的频率越大或者光的波长越小，光子的能量越高。
光子能量 e 与频率 ν 以及波长的关系如下，其中 h 为普朗克常数，c 是光速。
下图列举了光的频率（波长）谱，中间彩色的部分就是我们能看到的可见光，可见光的两侧分别是紫外光和红外光，更高频率的光被称为x射线、γ射线，更低频率的光被称为微波、无线电波等。
光的频率谱。图片来源：维基百科
一束光整体的强度就是光的功率，它代表一束光中光子的数目。
要使光线具备很强的杀伤力，首先要保证光的功率很强，也就是意味着一束光中光子的数目很多。
这个很容易理解，比如用透镜将太阳光汇聚可以点燃易燃物，灯光开的更亮会更刺眼。
其次要保证光子能量很大。
我们经常说紫外辐射太强会对人体产生伤害，或者在医院ct室看到辐射危险（ct室里用的是x射线），就是因为这些光的光子能量太大。
斯派修姆光线本质上可以看作是具备很高能量的激光。
当激光照射到物体上时，物体内部的原子、离子或电子就会吸收光子的能量，电子会被电离，能量在原子间传播。随之物体的温度就会升高从而融化、气化甚至变成等离子体。
强激光作用到固体上面是突然给固体局部施加了一个剧烈的能量扰动，能量在固体内部传播过程中会形成应力波，应力波会使固体发生碎裂[1]。
所以，奥特曼发射一束光线打到怪兽身上后，怪兽会炸成碎片这个情节是有一定的合理性的。
激光是具有很强单色性（即单一频率）和强方向性的强光束，那么激光该怎样产生呢？
这个时候我们可以求助一下爱因斯坦，他提出了光的受激辐射的概念，这是激光产生的基础。
量子力学告诉我们，在物质内部，电子处在分立的能级上，当电子处在较高能量的能级时会自发的跃迁到较低能量的能级上，在跃迁过程中会向外辐射一个光子，辐射的光子的能量等于这两个能级的能量差。
自发辐射示意图
这个过程被称为自发辐射。我们日常生活中见到的荧光粉发出的荧光就是自发辐射的例子。但是，自发辐射的光子不能被集合成激光。
当我们从外部照射一束光，如果光子的能量大于两个能级的能量差，电子就会吸收这个光子获得其能量，从低能级跃迁到高能级，这个过程被称为受激吸收。
受激吸收示意图
重点来了，当外部光子的能量等于两个能级的能量差，且电子处在高能级时，电子就会在外部光子的扰动下跃迁到低能级并辐射一个光子，这个过程被称为受激辐射。
受激辐射示意图
我们可以注意到，原来我们入射了一个光子，现在出射了两个光子，即受激辐射使我们获得了更强的光。
在这里大家要注意一件事：
根据前面所说，只要电子处在高能级就一定会发生自发辐射，但是我们不希望发生自发辐射，我们希望有更多的电子参与受激辐射才能产生想要的激光。
那么如何使受激辐射过程更有优势呢？答案是：只要保证处在高能级的电子数目比处在低能级的电子数目多就可以了，这就是粒子数反转[2]。
但是，处在高能级的电子总会跃迁到低能级，那么如何保证处在高能级的电子始终比低能级的电子多呢？
聪明的你肯定想到了：既然高能级的电子不断地被消耗，我想个办法从另一个能级向这个能级补充电子不就可以吗？
恭喜你已经参透了红宝石激光器的原理。
红宝石激光器就采用了一个三能级系统，能级由低到高可分为e1，e2，e3[3]。
在氙灯的照射下：
1. 红宝石晶体中原来处于基态e1的电子在吸收了氙灯发射的光子后被激发到最高能级e3。
2. 电子在e3能级的寿命极短，约皮秒级别，大量粒子就会从e3能级自发辐射跃迁到中间能级e2。
3. 电子处在e2能级的寿命较长，约毫秒级别，所以e2能级会逐渐积累起大量电子，实现了e1能级与e2能级的粒子数反转。
红宝石激光器电子跃迁过程
所以晶体就会对频率满足hv=e2-e1的光成分实现放大并输出。输出激光的波长为 694 纳米的红光。
现在我们通过受激辐射产生了大量光子，那么如何把它们变成激光输出到外界呢？
我们可以在激光工作物质（比如红宝石）两端安装两个相互平行的反射镜，这两个反射面组成了一个谐振腔，这时只有和反射镜轴平行的光才能在内部不停来回反射[2]。
激光器基本结构
光经过工作物质又通过受激辐射增强，最终出射的激光具备很强的单向性。
从上面分析可知，激光很强的单向性使得光子被束缚在很小的空间中，即单位空间中的光子数目多，所以激光才会有很强的功率。
那么，现在就够了吗？普通激光或许可以将人烧伤，但是对比奥特曼一束光线就击穿百米、身体坚硬的怪兽，我们的力量还不够！
02
脉冲激光
biu~biu~biu~
那么有请接下来我们的主角：脉冲激光。
我们前面所产生的激光是连续激光，也就是光束的能量分布连续不断的。
而脉冲激光则是由一段一段的脉冲组成的光束。一束脉冲的持续时间被称为脉宽。
脉冲光时间波形示意图
我们可以作这样的想象：
对于一束连续光，所有的光子均匀分布在整束光中。而对于脉冲光，光子只存在于脉冲持续的这段时间里。
如果这两束光的光子总数目相同，脉冲光的一个脉冲会具有更多的光子。
脉冲激光的单个脉冲时间里有更多的光子
也就是说，虽然两者的平均功率相同，但是脉冲光会比连续光具有更强的瞬时功率。
可以预见，脉冲光的脉宽越窄，激光的瞬时功率越强。所以产生具有超短脉宽的脉冲激光是我们接下来的目标。
那么如何产生脉冲光呢？
前面提到，受激辐射产生的光经过在谐振腔里来回振荡从而实现放大输出激光，但是谐振腔中一定是存在损耗的，只有介质对光的增益超过损耗才能实现持续输出激光[2]。
我们可以调整谐振腔的损耗。
先将谐振腔的损耗调到很大，激光器就不能产生激光，这样就可以在激光的上能级上积累大量的激发态粒子，反转粒子就很多。
当反转粒子数达到一个阈值时，突然降低腔的损耗，大量的激发态粒子迅速完成受激辐射。
然后在下一个脉冲周期，再进行同样的操作。这样就产生了很窄的光脉冲。
调整谐振腔损耗获得脉冲激光示意图
一般通过改变谐振腔损耗实现的脉冲激光的脉宽能达到纳秒级别。
我们可以通过在谐振腔里放置一个电光晶体改变其损耗[2]。
所谓电光晶体就是在一个晶体两段施加电压时，光通过该晶体会改变偏振方向，这时再加入另一个偏振方向与之垂直的偏振片，光就不能通过偏振片从而不能在谐振腔里来回振荡了。
那么如何进一步产生脉宽更短，瞬时功率更强的激光呢？
我们知道，光是一种电磁波，光强主要是电场的振动。振动方向平行于谐振腔轴线的光称为纵模，振动方向垂直于轴线的光称为横模。
比如说，弹簧的振动就是一种纵模，水波的振动是一种横模。
电场的振动包括振幅、振动周期、和相位。
对于一般的激光器，其内部光场的振动都是完全不同且相位都是随机的。所以各个模式之间互不干扰。
现在，我们可以在谐振腔中加入一个调制器或者加入一个名叫克尔晶体的东西使各个振动模式之间的相位锁定[4]。
那么在经过一段时间后一些振动模式就在各自的最大振幅处相遇，实现叠加，最终输出更大振幅。
不同模式间相位锁定叠加成更强的脉冲激光示意图
这样我们就实现了激光的锁模放大，通过这种方法可以实现皮秒甚至飞秒级别脉宽的脉冲激光。
但是现在依然不够，我们还需要更强的激光。
我们通过将连续光变成了飞秒脉冲激光实现了非常强的瞬时功率，那么能不能直接再继续放大飞秒脉冲激光呢？
答案是可以的！
接下来我们将采用啁啾脉冲放大技术继续强化我们的斯派修姆光线。
我们先将一束激光通过一组棱镜再将其脉宽展宽，这样它的峰值功率就会变得很低。
然后我们让其再通过一个增益介质进行放大，由于我们事先降低了其峰值功率，所以激光在增益介质中增强的过程中不会将其损坏。
激光经过增益介质放大后接下来再通过一组棱镜将其脉宽压缩，这意味着更多的光被压缩到了一个很小的区域里，从而极大地增大了飞秒激光脉冲的强度。
值得一提的是，这个方法还获得了2018年的诺贝尔物理学奖。所以奥特曼凭借这个技术可以拿诺奖！
03
高次谐波
biuuu~biuuu~biuuu~
我们现在已经实现了很强的光功率了，那么接下来该如何继续提升实力呢？
回到我们一开始的想法，接下来是不是该增大光子的能量了？也就是要增大光的频率。
1961年，franken等人将一束红宝石激光器产生的红光通过一个石英晶体，发现出射的光变成了紫光[5]。
从光谱中可以发现，紫光的频率是红光的两倍，也就是说他们实现了光的倍频。他们发现的这个现象被称为二次谐波产生。
好的我们好像实现了需求：增大了光子的能量。
本篇完……
开个玩笑，我们再看一下二次谐波是如何产生的。
前面提到，光就是电磁波。
在一个物体中，原子核带正电，电子带负电，电场作用在原子上时原子核和电子会向两个相反的方向运动。
如此就形成了一个偶极子。偶极子会再产生一个电场叠加到外部施加的电场上，从而改变外部电场的大小和方向。这个过程就是电场的极化过程。
对于整个固体来说，偶极子带来的贡献叫做极化强度，通过一些复杂的求解可以知道，极化强度p的表达式可以写成外加电场e的幂求和，幂指数对应几阶非线性效应，前面的系数被称为非线性系数[6]。
极化强度与外加电场的关系
二次谐波产生就是一个二阶非线性效应。除此之外还有三次谐波产生，它是一个三阶非线性效应，也就是说出射的光的频率是入射光频率的三倍。
在固体中通过非线性效应可以产生数倍频率的光子，基本能达到紫外光的程度。
但是依然不够，我们还能继续提升自己的实力吗？
可以的！
就是利用飞秒激光电离气体产生高次谐波，通过这个方法可以实现几十倍频率的增强，甚至可以产生x射线波段的脉冲激光[7]。
这个过程是这样的：
用飞秒脉冲激光作用到气体原子上将其内部的电子电离。
电离出的电子经过飞秒激光电场加速获得很高能量。
电子再与原子复合，复合过程中电子在光场中获得的动能与从连续态到基态的跃迁能（等于电离能）之和以高次谐波光子的形式辐射出来。
高次谐波产生的三步示意图，其中最右边上面两幅图是被加速电子额外与其他电子或原子的碰撞过程，最下面一幅图代表被加速电子与原子复合辐射高次谐波。图片来源：参考文献[5]。
除此之外，人们发现高次谐波产生过程辐射的极紫外脉冲光的脉宽可以达到阿秒级别。
这样，我们不仅极大地增强了斯派修姆光线光子的能量，还获得了比飞秒激光具有更短脉宽的阿秒激光，进一步增强了光线的瞬时功率。
如此，这样的斯派修姆光线已经能实现超强的破坏力了。
今天的《奥特必杀技基础——斯派修姆光线》就讲到这里了。
你，学会了吗？
参考文献：
[1] 强激光破坏机制研究进展，周益春等，力学与实践，第17卷，第1期，1995年.
[2] principles of lasers, orazio svelto, 1998 4th edition, springer.
[3] 红宝石激光器, 西北电讯工程学院五系, 激光与红外，1978, (04)
[4] 激光原理，周炳琨等，2009年第六版，国防工业出版社
[5] generation of optical harmonics, p. a. franken et.al, phys. rev. lett. 7, 118-119 (1961).
[6] 非线性光学, 石顺祥等，2012年第2版，西安电子科技大学出版社
[7] 阿秒脉冲产生的技术原理及进展，魏志义等，科学通报，2021 年第66 卷第8 期: 889 ~ 901
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