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一束光能凭空作画？这不是魔术，飞秒激光“点亮”空气成像

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上帝创造了光，而科技捕捉到了光的痕迹。

想让光束凭空显示图像，我们的第一反应或许都是3D全息投影，就像《钢铁侠》的片段，小罗伯特唐尼在自己的工作室里，挥挥手就能自由操纵空气中的3D投影。

一束光能凭空作画？这不是魔术，飞秒激光“点亮”空气成像崇真艺客

过去的3D投影技术，大多是利用干涉和衍射原理记录并再现物体三维图像，最近科学家们在利用光学成像技术上，有了更高级的呈现途径。

中国光谷团队历经十余年的潜心研制，基于飞秒激光诱导等离子体技术，以空气作为介质，成功显示了真实的3D图像。这与过去伪3D图像不同，在视觉呈现、持续时间、峰值功率和安全性上均是一次突破。

伴随嗞嗞作响的击穿声，“虹拓”“科技日报”“五角星”等汉字和图形悬空呈现，肉眼能观、双手可触。

7月19日，科技日报记者在武汉东湖高新区虹拓超快激光联合实验室见证了这一科幻场景。

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“无需纸墨，一束光也可以凭空作画。”该实验室主任曹祥东说，团队最新研制的高能量、高峰值功率飞秒激光器，峰值功率密度达百万兆瓦级，聚起一束“最快的光”，把空气“点亮”。

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激光显示从“0”到“1”的突破

目前，大多数3D显示技术是利用双眼视觉差异及人脑虚拟合成的方式，在屏幕上呈现“伪3D图像”。最新的3D显示技术则使用三维物理空间来渲染图形，通过激光让每个体素（对应平面显示中的像素）发光或反射光，在三维空间中排列成像，让观众全角度、无死角观看到3D图像。

飞秒激光击穿空气形成的3D影像，真实存在。

曹祥东介绍，这种基于飞秒激光诱导等离子体的真实3D显示技术，将高峰值功率的飞秒激光聚焦，达到每平方厘米100太瓦极高强度后击穿空气，诱导形成发光等离子体，采用3D扫描器将激光束进行扫描，对发光点阵进行排列组合，在空中形成各种文字或图案。

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▲ 激光等离子球

相比传统激光显示，飞秒激光显示技术优势明显，其显示介质为空气，不需要屏幕、水雾等，可将3D图像直接在空中呈现。同时，飞秒激光比纳秒激光的脉冲持续时间更短（1纳秒为十亿分之一秒，1飞秒为百万分之一纳秒），所需能量更低，单点停留时间更短，具有更高安全性。

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▲ 全息影像，雾幕成像

想象一下，当脉冲发生时，将光束聚焦在你想要的“仙女光”的3D点上，你就会在那个点得到一个微小的等离子球。对你想要的每一个等离子球都这样做，并且每秒重复10到60次，你就有了一个等离子球的3D模式。这有点像老式的电子束阴极射线管电视，只是使用空气而不是荧光屏来发光。

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▲ 飞秒激光显示技术在空气中呈现3D图像

（虹拓超快激光联合实验室供图）

飞秒激光显示技术难在哪？

“今朝亮相，源自光影背后十余年潜心研究。”曹祥东说，飞秒激光曾被誉为光谷四大发明之一，他和团队致力于超快激光产业核心前沿技术研发和应用技术开发，在关键核心技术上全部国产化，实现完全独立自主。

击穿空气，需要100太瓦每平方厘米的能量密度，即飞秒激光在指甲盖大小面积上，达到100太瓦能量输出，在飞秒的时间尺度释放出来电离空气。“点亮”空气是飞秒激光综合技术水平的体现，依靠强大峰值功率的同时，平均功率仅几十瓦。

“我们的空中成像飞秒激光技术，显示亮度达到领先水平，客户比较了全球国内外多家公司产品，最终选择了我们。”曹祥东说。

曹祥东介绍，团队采用自主研发的先进飞秒激光技术，未来将通过对飞秒激光脉冲时空分布进行复杂编辑和控制，精确调控体素的亮度、颜色及持续时间等特征参数，进一步升级飞秒激光器功率，实现超大幅面空中真实3D显示。

飞秒激光技术凭借极短的脉宽能在瞬间产生极高的功率密度，可诱导材料发生非线性吸收，从而极大提升空间分辨率。而且极短的脉宽也可以保证过程中不会产生多余的热量，瞬时功率大持续时间太短，不会产生太大的能量，所以安全性得以提升。

在可见的未来，飞秒激光技术凭借自身优势，在全息术、3D光学信息存储等方向上具有极大潜力。

本文信息来源：科技日报、光纤激光，文中配图来自网络

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