很多人从各个学科的角度说了 1 焦耳是多么的渺小，我来唱个反调，说一说在光学里面 1 焦耳是多么牛掰吧！

能量这个东西的大小关键看你怎么用。1 焦耳的电能从灯泡里面出来的时候你可能都感觉不到，1 焦耳热量的食物都不够塞牙缝，可要是激光呢？

没错，激光！

提到激光你可能想到：激光笔，条形扫码，激光美容，激光纹身，激光手术刀，激光焊接，激光切割，激光微加工，激光武器，激光核聚变。。。

林林总总，但归纳起来无非就是两种：连续激光和脉冲激光。

• 连续激光，能量持续不间断输出。例如激光笔。
• 脉冲激光，能量以脉冲形式输出。例如飞秒激光微加工。

连续激光没啥好说的。1W 的激光笔代表的意思是，1 秒的时间内输出 1 焦耳的能量。这样的激光打在身上不疼，只要别打眼。

重点要说的是脉冲激光。

脉冲激光是将能量集中在很短的时间间隔内，集中力量干大事！前面提到的「飞秒」就是这个时间间隔的尺度。这个时间间隔叫做脉宽，脉冲宽度。

稍微扯一下时间单位。常见的时间单位比如年，月，日，小时，分钟，秒。这些单位都太长了。说一说秒以下的。

• 毫秒（ms），千分之一秒。 大脑神经元对外界刺激发出指令大概在一毫秒；僧祗律说「一刹那为一念，二十念为一瞬，二十瞬名一弹指，二十弹指名一罗预，二十罗预名一须臾，一日一夜有三十须臾。」一刹那大概是 18 毫秒；一眨眼大概是 300 毫秒。
• 微秒（??），千分之一毫秒。谬子（muon）的平均寿命。
• 纳秒（ns），千分之一微秒。光传播 30 厘米用的时间。
• 皮秒（ps），千分之一纳秒。底夸克的平均寿命；光传播 0.3 毫米用的时间；化学反应的大概弛豫时间。分子转动周期。
• 飞秒（fs），千分之一皮秒。超快脉冲激光的脉宽；可见光的光周期；分子振动周期。
• 阿秒（as），千分之一飞秒。目前可测量的最小时间尺度；能达到的最精确控制激光脉冲的时间尺度；原子外场电子的运动特征时间。
• 泽秒（zs），千分之一阿秒。放射性原子核辐射出伽马光子的时间尺度。
• 幺秒（ys），千分之一泽秒。基本粒子 W 和 Z 玻色子的平均寿命。
• 普朗克时间， 。可能是宇宙的终极时间。理论上最小的可测量时间，也是有实质物理意义的最小时间。

为什么要将一定能量集中在很小的时间间隔内呢。提高功率！功率是单位时间间隔内的能量。

当能量固定为 1 焦耳后，显然脉宽越小功率越大。前面提到的激光切割和微加工的激光脉宽一般为皮秒以下到飞秒。网上随便搜了搜，一般这种微加工的激光器的单脉冲能量在 1 毫焦左右（千分之一焦耳）。脉宽在 100 飞秒左右。算一下功率是?

10GW 是什么概念呢。100 亿瓦。下面的帖子里美国能源部科普了下 10 亿瓦（1GW）有多大。1GW 相当于 300 万个光伏太阳能板的发电功率；相当于 1.1 亿个 LED 灯泡的功率；相当于 130 万匹马（1 马力大概 735 瓦)；相当于 1 万辆 SUV。。。杠精可能会说这个功率虽大，但只是峰值功率，微加工的激光用的时候不可能只用一个脉冲。肯定是以高重复频率持续工作一段时间。最终的消耗的能量多于 1 焦耳。

How Much Power is 1 Gigawatt?

那下面就来看下实打实的 1 焦耳单个脉冲能干什么。

超短超强激光与等离子体相互作用

超短是指的脉冲宽度短，超强是指的功率或功率密度高。

能量 1 焦耳，把脉冲宽度压缩到大概 30 飞秒，那么对应的激光功率为 33 太瓦（1TW = 1 万亿瓦）。这里固定能量压缩脉宽实际上正是超强激光技术发展的路径。几十太瓦激光器的出现得益于啁啾脉冲放大（CPA）技术的出现（2018 年诺贝尔物理学奖）。这个技术能够使得 1 焦耳左右的激光能量集中在几十飞秒的时间间隔内（实际上已经能够做到几十甚至上百焦耳了）。然后再把激光聚焦到很小的空间尺寸范围内。一般大概在 10 微米左右。10 微米是多大呢？正常人的头发直径大概在 50 微米左右。这样能够达到的功率密度（单位面积内的功率）能够达到??。对应的激光电场强度在?。在这个强度下的物质基本上都会被电离成等离子体（啥是等离子体？物质的第四态，宇宙中 99.999% 物质都是等离子体，维基百科戳这里）。

这样的激光哪里有呢？到处都是。真正研究超强激光等离子体的有：清华，北大，上交大，上海光机所，中科院物理所，绵阳九院九所等等。国外的更是数不胜数，感兴趣的看文献吧^[1]。

这样的激光能干啥呢：

• 粒子加速领域：电子加速，离子加速，中子产生，反物质正电子产生。
• 辐射光源领域：从长波到短波（低能到高能），太赫兹，高次谐波，紫外光，X 射线，伽马射线。
• 实验室天体物理：磁重联，冲击波，等离子体湍流，喷流。
• 强场 QED：正负电子对产生，真空极化，辐射阻尼。
• 等等等等再补充。

这里举一个例子，激光等离子体电子加速，出道即巅峰。2004 年的?Nature?杂志三篇文章背靠背 Dream beam。说的是啥呢？2004 年三个研究小组 - 美国伯克利国家实验室，英国帝国理工和法国巴黎综合理工 - 同时在 Nature 发表文章报道了基于 30 太瓦激光器产生 100? 兆电子伏特的电子束的新型激光等离子体加速器。直接将激光等离子体加速推向高潮！这种加速器能够将原本像美国 SLAC 国家实验室的 3 公里场加速距离缩短到几厘米。

值得一提的是这三家实验室的激光都在 30TW 左右，30 飞秒左右，对应的能量在 1 焦耳左右。

以上！

以下请多指教：

为什么玻璃杯倒水的时候水会沿外表面流下而不会直接掉下?

真空由什么构成？

为什么电器运行中会发热，有没有可能出现不发热的？