物理學家正計劃建造可將真空撕裂的強大激光器

位於中國上海的激光器創下了最大功率紀錄。圖片來源：KAN ZHAN

在中國上海一間狹窄的實驗室里，物理學家李儒新和同事正在創造有史以來最強大的激光脈衝，並因此打破世界紀錄。他們研製的激光器名為「上海超強超短激光實驗裝置」（SULF）。該裝置的核心是一個寬度和飛盤相當、由摻鈦藍寶石構成的單缸。在點亮晶體中的光線並使其穿過由透鏡和反射鏡構成的系統後，SULF將光線變成力量強大到令人震驚的脈衝。2016年，它達到了史無前例的5.3拍瓦（英文簡稱PW，1PW=1000萬億瓦）。

目前，研究人員正在升級該激光器，以期在今年年底打破自己創下的紀錄，達到10PW——相當於全球電網功率的1000餘倍。不過，該團隊的雄心並未止步於此。今年，李儒新和同事打算開始建造名為「超強激光站」（SEL）的100 PW激光器。到2023年，它將把脈衝「扔進」地下20米深處的腔室，從而創造出通常在地球上無法達到的極端溫度和壓力。天體物理學家和材料科學家將因此受益。

美國斯坦福大學原子物理學家Philip Bucksbaum表示，中國團隊在研製100PW激光器的道路上「佔據絕對領先地位」。不過，競爭也很激烈。未來幾年內，作為歐洲「極光基礎設施」的一部分，一台10PW設備應當會在羅馬尼亞和捷克共和國啟動，儘管該項目最近推遲了建造100PW級設備的時間。俄羅斯物理學家已經制定了名為「用於極端光學研究的艾瓦中心」的180PW激光器設計方案，而日本研究人員也已提出建造30PW設備的建議。

與此同時，一個美國國家科學、工程和醫學院團隊日前公布的研究顯示，在這場競爭中缺席的是美國科學家。該研究呼籲美國能源部至少規劃建造一座大功率激光器設施，而這為羅徹斯特大學的研究人員帶來了希望。他們正在制定計劃，打算建造名為「光參量放大線」（OPAL）的75PW激光器。

使激光器功率最大化

在上世紀60年代發明出來的激光器利用諸如閃光燈等外部「泵」激發雷射材料——通常是氣體、晶體或者半導體——原子內的電子。當其中一個被激發的電子回到初始狀態，便會釋放光子。這反過來刺激另一個電子釋放光子，以此類推。

由於功率等於能量除以時間，因此使功率最大化主要有兩種方法：要麼增強激光器的能量，要麼縮短脈衝的持續時間。上世紀70年代，勞倫斯利物莫國家實驗室（LLNL）的研究人員聚焦的是增強激光器能量的方法。他們的做法是讓光束通過另外的由釹摻雜玻璃製成的激光晶體。不過，超過一定強度的光束會破壞放大器。為避免這一問題，LLNL不得不讓放大器變得更大——直徑達到幾十厘米。但在1983年，如今在法國巴黎綜合理工學院工作的Gerard Mourou和同事取得突破。他意識到，較短的激光脈衝可通過衍射光柵被及時擴展，從而減少其強度。在被安全地放大到更高能級後，光線可被另一個光柵再次壓縮。最終的結果是：更加強大的脈衝和毫髮無損的放大器。

這種「啁啾脈衝放大」已成為大功率激光器的基本特徵。1996年，它使得LLNL研究人員利用激光器產生了世界上首個PW級脈衝。自此以後，LLNL一直在追尋更高能級，以實現激光碟機動核聚變。在一次將微型氫膠囊加熱至熔化溫度的努力中，該實驗室下屬國家點火裝置（NIF）創建了擁有1.8兆焦能量的脈衝。不過，這些脈衝相對較長，並且仍然只能產生1PW功率。

利用強光控制核過程

為獲得高功率，科學家開始求助於時間域：使脈衝能量持續的時間更短。一種方法是放大鈦摻雜藍寶石晶體中的光線。此類晶體能產生擁有較寬頻譜的光線。在由反射鏡構成的激光器腔室中，這些脈衝被反彈回來。單個頻率成分則在大多數脈衝持續時間內相互抵消，但會在僅持續幾十飛秒的短暫脈衝中相互增強。為這些脈衝提供幾百焦耳能量，將獲得10PW峰值功率。這便是SULF和其他基於藍寶石的激光器僅利用安裝在一個大房間里並且只須花費幾千萬美元的設備，便能打破功率紀錄的方式。相比之下，NIF的花費達35億美元，並且需要一座10層高、面積和3個美式足球場相當的建築物。

一旦激光器建造者解決了功率問題，另一項挑戰便會到來：將光束帶入異常密集的焦點。很多科學家更多地關心強度——每個單位面積的功率，而非總體的拍瓦數。實現更準的焦點定位，便意味著強度增加。如果100PW的脈衝能被聚焦到直徑僅有3微米的斑點上，那麼這一微小區域的強度將達到驚人的1024瓦特/平方厘米——比太陽光線照射地球的強度高出約25個數量級。

這種強度為打破真空態提供了可能。根據描述電磁場如何同物質相互作用的量子電動力學理論，真空並非如經典物理學認為的那麼空。在極端的時間尺度上，因量子力學不確定性而誕生的正負電子對形成。然而，由於相互吸引，它們幾乎在形成時便相互抵消了。

不過，原則上，超強激光會在粒子碰撞前將其分離。和任何電磁波一樣，激光束也含有電場。隨著光束的強度增加，電場的強度也在提高。俄羅斯科學院（RAS）應用物理研究所前所長、RAS 現任院長Alexander Sergeev介紹說，在1024瓦特/平方厘米的強度下，電場將強大到足以開始打破一些正負電子對之間的相互吸引。隨後，激光場會使粒子振動，導致其釋放電磁波——在這種情形下是伽馬射線。反過來，伽馬射線產生新的正負電子對，以此類推。這產生了可被探測到的粒子和輻射「雪崩」。「這將是全新的物理學現象。」Sergeev表示，伽馬射線光子將擁有足夠強大的能量，從而推動原子核進入激發態。這開創了一個名為核光子學的新的物理學分支——利用強光控制核過程。

打造夢想機器

較高的重複率對於利用高功率激光器驅動粒子束來說同樣至關重要。在一種方案中，強激光束能將金屬靶轉變成等離子體。這一過程釋放的電子反過來會將來自金屬表面原子核的質子噴射出去。醫生可以利用這些質子脈衝摧毀癌症，同時更高的射速將使開展小規模個人劑量的治療變得更加容易。

對於物理學家來說，他們一直夢想著建造由快速發射的激光脈衝驅動的粒子加速器。當強激光脈衝擊打由電子和陽離子構成的等離子體時，它會將較輕的電子向前推，從而將電荷分離並且創建出二次電場。該電場會「拖曳」粒子跟在光線後面，就像緊緊跟隨快艇的水流。這種「激光尾波場加速」可在一兩毫米的空間內將帶電荷粒子加速到較高能級，而傳統加速器需要數米寬的空間。速度由此被加快的電子會被磁體操控，以此產生所謂的自由電子激光器（FEL）。FEL產生極其明亮和短暫的X射線光，而後者能照亮短暫存在的化學和生物學現象。和傳統加速器驅動的激光器相比，FEL要更加緊湊和廉價。

從長遠來開，被高重複PW級脈衝加速的電子可將粒子物理學家夢想建造的機器成本大幅削減。他們的夢想是：建造可接替位於瑞士日內瓦附近歐洲核子研究委員會的大型強子對撞機的30公里長正負電子對撞機。英國倫敦帝國理工學院等離子體物理學家Stuart Mangles表示，和現在構想的成本約為100億美元的機器相比，基於100PW激光器的設備長度至少會短10倍，成本也將至少縮減1/10。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！