物理學(xué)家正計(jì)劃建造可將真空撕裂的強(qiáng)大激光器

　　在中國(guó)上海一間狹窄的實(shí)驗(yàn)室里，物理學(xué)家李儒新和同事正在創(chuàng)造有史以來最強(qiáng)大的激光脈沖，并因此打破世界紀(jì)錄。他們研制的激光器名為“上海超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置”(SULF)。該裝置的核心是一個(gè)寬度和飛盤相當(dāng)、由摻鈦藍(lán)寶石構(gòu)成的單缸。在點(diǎn)亮晶體中的光線并使其穿過由透鏡和反射鏡構(gòu)成的系統(tǒng)后，SULF將光線變成力量強(qiáng)大到令人震驚的脈沖。2016年，它達(dá)到了史無前例的5.3拍瓦(英文簡(jiǎn)稱PW，1PW=1000萬億瓦)。

　　位于中國(guó)上海的激光器創(chuàng)下了最大功率紀(jì)錄

　　目前，研究人員正在升級(jí)該激光器，以期在今年年底打破自己創(chuàng)下的紀(jì)錄，達(dá)到10PW——相當(dāng)于全球電網(wǎng)功率的1000余倍。不過，該團(tuán)隊(duì)的雄心并未止步于此。今年，李儒新和同事打算開始建造名為“超強(qiáng)激光站”(SEL)的100 PW激光器。到2023年，它將把脈沖“扔進(jìn)”地下20米深處的腔室，從而創(chuàng)造出通常在地球上無法達(dá)到的極端溫度和壓力。天體物理學(xué)家和材料科學(xué)家將因此受益。

　　美國(guó)斯坦福大學(xué)原子物理學(xué)家Philip Bucksbaum表示，中國(guó)團(tuán)隊(duì)在研制100PW激光器的道路上“占據(jù)絕對(duì)領(lǐng)先地位”。不過，競(jìng)爭(zhēng)也很激烈。未來幾年內(nèi)，作為歐洲“極光基礎(chǔ)設(shè)施”的一部分，一臺(tái)10PW設(shè)備應(yīng)當(dāng)會(huì)在羅馬尼亞和捷克共和國(guó)啟動(dòng)，盡管該項(xiàng)目最近推遲了建造100PW級(jí)設(shè)備的時(shí)間。俄羅斯物理學(xué)家已經(jīng)制定了名為“用于極端光學(xué)研究的艾瓦中心”的180PW激光器設(shè)計(jì)方案，而日本研究人員也已提出建造30PW設(shè)備的建議。

　　與此同時(shí)，一個(gè)美國(guó)國(guó)家科學(xué)、工程和醫(yī)學(xué)院團(tuán)隊(duì)日前公布的研究顯示，在這場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中缺席的是美國(guó)科學(xué)家。該研究呼吁美國(guó)能源部至少規(guī)劃建造一座大功率激光器設(shè)施，而這為羅徹斯特大學(xué)的研究人員帶來了希望。他們正在制定計(jì)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(jì)60年代發(fā)明出來的激光器利用諸如閃光燈等外部“泵”激發(fā)雷射材料——通常是氣體、晶體或者半導(dǎo)體——原子內(nèi)的電子。當(dāng)其中一個(gè)被激發(fā)的電子回到初始狀態(tài)，便會(huì)釋放光子。這反過來刺激另一個(gè)電子釋放光子，以此類推。

　　由于功率等于能量除以時(shí)間，因此使功率最大化主要有兩種方法：要么增強(qiáng)激光器的能量，要么縮短脈沖的持續(xù)時(shí)間。上世紀(jì)70年代，勞倫斯利物莫國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)的研究人員聚焦的是增強(qiáng)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制成的激光晶體。不過，超過一定強(qiáng)度的光束會(huì)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(dá)到幾十厘米。但在1983年，如今在法國(guó)巴黎綜合理工學(xué)院工作的Gerard Mourou和同事取得突破。他意識(shí)到，較短的激光脈沖可通過衍射光柵被及時(shí)擴(kuò)展，從而減少其強(qiáng)度。在被安全地放大到更高能級(jí)后，光線可被另一個(gè)光柵再次壓縮。最終的結(jié)果是：更加強(qiáng)大的脈沖和毫發(fā)無損的放大器。

　　這種“啁啾脈沖放大”已成為大功率激光器的基本特征。1996年，它使得LLNL研究人員利用激光器產(chǎn)生了世界上首個(gè)PW級(jí)脈沖。自此以后，LLNL一直在追尋更高能級(jí)，以實(shí)現(xiàn)激光驅(qū)動(dòng)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(shí)驗(yàn)室下屬國(guó)家點(diǎn)火裝置(NIF)創(chuàng)建了擁有1.8兆焦能量的脈沖。不過，這些脈沖相對(duì)較長(zhǎng)，并且仍然只能產(chǎn)生1PW功率。

　　利用強(qiáng)光控制核過程

　　為獲得高功率，科學(xué)家開始求助于時(shí)間域：使脈沖能量持續(xù)的時(shí)間更短。一種方法是放大鈦摻雜藍(lán)寶石晶體中的光線。此類晶體能產(chǎn)生擁有較寬頻譜的光線。在由反射鏡構(gòu)成的激光器腔室中，這些脈沖被反彈回來。單個(gè)頻率成分則在大多數(shù)脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)相互抵消，但會(huì)在僅持續(xù)幾十飛秒的短暫脈沖中相互增強(qiáng)。為這些脈沖提供幾百焦耳能量，將獲得10PW峰值功率。這便是SULF和其他基于藍(lán)寶石的激光器僅利用安裝在一個(gè)大房間里并且只須花費(fèi)幾千萬美元的設(shè)備，便能打破功率紀(jì)錄的方式。相比之下，NIF的花費(fèi)達(dá)35億美元，并且需要一座10層高、面積和3個(gè)美式足球場(chǎng)相當(dāng)?shù)慕ㄖ铩?/p>

　　一旦激光器建造者解決了功率問題，另一項(xiàng)挑戰(zhàn)便會(huì)到來：將光束帶入異常密集的焦點(diǎn)。很多科學(xué)家更多地關(guān)心強(qiáng)度——每個(gè)單位面積的功率，而非總體的拍瓦數(shù)。實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)的焦點(diǎn)定位，便意味著強(qiáng)度增加。如果100PW的脈沖能被聚焦到直徑僅有3微米的斑點(diǎn)上，那么這一微小區(qū)域的強(qiáng)度將達(dá)到驚人的1024瓦特/平方厘米——比太陽光線照射地球的強(qiáng)度高出約25個(gè)數(shù)量級(jí)。

　　這種強(qiáng)度為打破真空態(tài)提供了可能。根據(jù)描述電磁場(chǎng)如何同物質(zhì)相互作用的量子電動(dòng)力學(xué)理論，真空并非如經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為的那么空。在極端的時(shí)間尺度上，因量子力學(xué)不確定性而誕生的正負(fù)電子對(duì)形成。然而，由于相互吸引，它們幾乎在形成時(shí)便相互抵消了。

　　不過，原則上，超強(qiáng)激光會(huì)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(chǎng)。隨著光束的強(qiáng)度增加，電場(chǎng)的強(qiáng)度也在提高。俄羅斯科學(xué)院(RAS)應(yīng)用物理研究所前所長(zhǎng)、RAS 現(xiàn)任院長(zhǎng)Alexander Sergeev介紹說，在1024瓦特/平方厘米的強(qiáng)度下，電場(chǎng)將強(qiáng)大到足以開始打破一些正負(fù)電子對(duì)之間的相互吸引。隨后，激光場(chǎng)會(huì)使粒子振動(dòng)，導(dǎo)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(chǎn)生新的正負(fù)電子對(duì)，以此類推。這產(chǎn)生了可被探測(cè)到的粒子和輻射“雪崩”。“這將是全新的物理學(xué)現(xiàn)象。”Sergeev表示，伽馬射線光子將擁有足夠強(qiáng)大的能量，從而推動(dòng)原子核進(jìn)入激發(fā)態(tài)。這開創(chuàng)了一個(gè)名為核光子學(xué)的新的物理學(xué)分支——利用強(qiáng)光控制核過程。

　　打造夢(mèng)想機(jī)器

　　較高的重復(fù)率對(duì)于利用高功率激光器驅(qū)動(dòng)粒子束來說同樣至關(guān)重要。在一種方案中，強(qiáng)激光束能將金屬靶轉(zhuǎn)變成等離子體。這一過程釋放的電子反過來會(huì)將來自金屬表面原子核的質(zhì)子噴射出去。醫(yī)生可以利用這些質(zhì)子脈沖摧毀癌癥，同時(shí)更高的射速將使開展小規(guī)模個(gè)人劑量的治療變得更加容易。

　　對(duì)于物理學(xué)家來說，他們一直夢(mèng)想著建造由快速發(fā)射的激光脈沖驅(qū)動(dòng)的粒子加速器。當(dāng)強(qiáng)激光脈沖擊打由電子和陽離子構(gòu)成的等離子體時(shí)，它會(huì)將較輕的電子向前推，從而將電荷分離并且創(chuàng)建出二次電場(chǎng)。該電場(chǎng)會(huì)“拖曳”粒子跟在光線后面，就像緊緊跟隨快艇的水流。這種“激光尾波場(chǎng)加速”可在一兩毫米的空間內(nèi)將帶電荷粒子加速到較高能級(jí)，而傳統(tǒng)加速器需要數(shù)米寬的空間。速度由此被加快的電子會(huì)被磁體操控，以此產(chǎn)生所謂的自由電子激光器(FEL)。FEL產(chǎn)生極其明亮和短暫的X射線光，而后者能照亮短暫存在的化學(xué)和生物學(xué)現(xiàn)象。和傳統(tǒng)加速器驅(qū)動(dòng)的激光器相比，F(xiàn)EL要更加緊湊和廉價(jià)。

　　從長(zhǎng)遠(yuǎn)來開，被高重復(fù)PW級(jí)脈沖加速的電子可將粒子物理學(xué)家夢(mèng)想建造的機(jī)器成本大幅削減。他們的夢(mèng)想是：建造可接替位于瑞士日內(nèi)瓦附近歐洲核子研究委員會(huì)的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的30公里長(zhǎng)正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)。英國(guó)倫敦帝國(guó)理工學(xué)院等離子體物理學(xué)家Stuart Mangles表示，和現(xiàn)在構(gòu)想的成本約為100億美元的機(jī)器相比，基于100PW激光器的設(shè)備長(zhǎng)度至少會(huì)短10倍，成本也將至少縮減1/10。