物理學(xué)家正計劃建造可將真空撕裂的強大激光器

　　在中國上海一間狹窄的實(shí)驗室里，物理學(xué)家李儒新和同事正在創(chuàng )造有史以來(lái)最強大的激光脈沖，并因此打破世界紀錄。他們研制的激光器名為“上海超強超短激光實(shí)驗裝置”(SULF)。該裝置的核心是一個(gè)寬度和飛盤(pán)相當、由摻鈦藍寶石構成的單缸。在點(diǎn)亮晶體中的光線(xiàn)并使其穿過(guò)由透鏡和反射鏡構成的系統后，SULF將光線(xiàn)變成力量強大到令人震驚的脈沖。2016年，它達到了史無(wú)前例的5.3拍瓦(英文簡(jiǎn)稱(chēng)PW，1PW=1000萬(wàn)億瓦)。

　　位于中國上海的激光器創(chuàng )下了最大功率紀錄

　　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(chuàng )下的紀錄，達到10PW——相當于全球電網(wǎng)功率的1000余倍。不過(guò)，該團隊的雄心并未止步于此。今年，李儒新和同事打算開(kāi)始建造名為“超強激光站”(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(wú)法達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。

　　美國斯坦福大學(xué)原子物理學(xué)家Philip Bucksbaum表示，中國團隊在研制100PW激光器的道路上“占據絕對領(lǐng)先地位”。不過(guò)，競爭也很激烈。未來(lái)幾年內，作為歐洲“極光基礎設施”的一部分，一臺10PW設備應當會(huì )在羅馬尼亞和捷克共和國啟動(dòng)，盡管該項目最近推遲了建造100PW級設備的時(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(shí)，一個(gè)美國國家科學(xué)、工程和醫學(xué)院團隊日前公布的研究顯示，在這場(chǎng)競爭中缺席的是美國科學(xué)家。該研究呼吁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(xué)的研究人員帶來(lái)了希望。他們正在制定計劃，打算建造名為“光參量放大線(xiàn)”(OPAL)的75PW激光器。

　　使激光器功率最大化

　　在上世紀60年代發(fā)明出來(lái)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、晶體或者半導體——原子內的電子。當其中一個(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(guò)來(lái)刺激另一個(gè)電子釋放光子，以此類(lèi)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：要么增強激光器的能量，要么縮短脈沖的持續時(shí)間。上世紀70年代，勞倫斯利物莫國家實(shí)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(guò)另外的由釹摻雜玻璃制成的激光晶體。不過(guò)，超過(guò)一定強度的光束會(huì )破壞放大器。為避免這一問(wèn)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(xué)院工作的Gerard Mourou和同事取得突破。他意識到，較短的激光脈沖可通過(guò)衍射光柵被及時(shí)擴展，從而減少其強度。在被安全地放大到更高能級后，光線(xiàn)可被另一個(gè)光柵再次壓縮。最終的結果是：更加強大的脈沖和毫發(fā)無(wú)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級脈沖。自此以后，LLNL一直在追尋更高能級，以實(shí)現激光驅動(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)驗室下屬?lài)尹c(diǎn)火裝置(NIF)創(chuàng )建了擁有1.8兆焦能量的脈沖。不過(guò)，這些脈沖相對較長(cháng)，并且仍然只能產(chǎn)生1PW功率。

　　利用強光控制核過(guò)程

　　為獲得高功率，科學(xué)家開(kāi)始求助于時(shí)間域：使脈沖能量持續的時(shí)間更短。一種方法是放大鈦摻雜藍寶石晶體中的光線(xiàn)。此類(lèi)晶體能產(chǎn)生擁有較寬頻譜的光線(xiàn)。在由反射鏡構成的激光器腔室中，這些脈沖被反彈回來(lái)。單個(gè)頻率成分則在大多數脈沖持續時(shí)間內相互抵消，但會(huì )在僅持續幾十飛秒的短暫脈沖中相互增強。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幾千萬(wàn)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，并且需要一座10層高、面積和3個(gè)美式足球場(chǎng)相當的建筑物。

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

　　這種強度為打破真空態(tài)提供了可能。根據描述電磁場(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電子對形成。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(guò)，原則上，超強激光會(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(zhù)光束的強度增加，電場(chǎng)的強度也在提高。俄羅斯科學(xué)院(RAS)應用物理研究所前所長(cháng)、RAS 現任院長(cháng)Alexander Sergeev介紹說(shuō)，在1024瓦特/平方厘米的強度下，電場(chǎng)將強大到足以開(kāi)始打破一些正負電子對之間的相互吸引。隨后，激光場(chǎng)會(huì )使粒子振動(dòng)，導致其釋放電磁波——在這種情形下是伽馬射線(xiàn)。反過(guò)來(lái)，伽馬射線(xiàn)產(chǎn)生新的正負電子對，以此類(lèi)推。這產(chǎn)生了可被探測到的粒子和輻射“雪崩”。“這將是全新的物理學(xué)現象。”Sergeev表示，伽馬射線(xiàn)光子將擁有足夠強大的能量，從而推動(dòng)原子核進(jìn)入激發(fā)態(tài)。這開(kāi)創(chuàng )了一個(gè)名為核光子學(xué)的新的物理學(xué)分支——利用強光控制核過(guò)程。

　　打造夢(mèng)想機器

　　較高的重復率對于利用高功率激光器驅動(dòng)粒子束來(lái)說(shuō)同樣至關(guān)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(guò)程釋放的電子反過(guò)來(lái)會(huì )將來(lái)自金屬表面原子核的質(zhì)子噴射出去。醫生可以利用這些質(zhì)子脈沖摧毀癌癥，同時(shí)更高的射速將使開(kāi)展小規模個(gè)人劑量的治療變得更加容易。

　　對于物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，他們一直夢(mèng)想著(zhù)建造由快速發(fā)射的激光脈沖驅動(dòng)的粒子加速器。當強激光脈沖擊打由電子和陽(yáng)離子構成的等離子體時(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(xiàn)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(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(xiàn)光，而后者能照亮短暫存在的化學(xué)和生物學(xué)現象。和傳統加速器驅動(dòng)的激光器相比，FEL要更加緊湊和廉價(jià)。

　　從長(cháng)遠來(lái)開(kāi)，被高重復PW級脈沖加速的電子可將粒子物理學(xué)家夢(mèng)想建造的機器成本大幅削減。他們的夢(mèng)想是：建造可接替位于瑞士日內瓦附近歐洲核子研究委員會(huì )的大型強子對撞機的30公里長(cháng)正負電子對撞機。英國倫敦帝國理工學(xué)院等離子體物理學(xué)家Stuart Mangles表示，和現在構想的成本約為100億美元的機器相比，基于100PW激光器的設備長(cháng)度至少會(huì )短10倍，成本也將至少縮減1/10。