物理学家正计划建造可将真空撕裂的强大激光器

　　来源：科学网



　　位于中国上海的激光器创下了最大功率纪录。

　　图片来源：KAN ZHAN

　　在中国上海一间狭窄的实验室里，物理学家李儒新和同事正在创造有史以来最强大的激光脉冲，并因此打破世界纪录。他们研制的激光器名为“上海超强超短激光实验装置”（SULF）。该装置的核心是一个宽度和飞盘相当、由掺钛蓝宝石构成的单缸。在点亮晶体中的光线并使其穿过由透镜和反射镜构成的系统后，SULF将光线变成力量强大到令人震惊的脉冲。2016年，它达到了史无前例的5.3拍瓦（英文简称PW，1PW=1000万亿瓦）。

　　目前，研究人员正在升级该激光器，以期在今年年底打破自己创下的纪录，达到10PW――相当于全球电网功率的1000余倍。不过，该团队的雄心并未止步于此。今年，李儒新和同事打算开始建造名为“超强激光站”（SEL）的100 PW激光器。到2023年，它将把脉冲“扔进”地下20米深处的腔室，从而创造出通常在地球上无法达到的极端温度和压力。天体物理学家和材料科学家将因此受益。

　　美国斯坦福大学原子物理学家Philip Bucksbaum表示，中国团队在研制100PW激光器的道路上“占据绝对领先地位”。不过，竞争也很激烈。未来几年内，作为欧洲“极光基础设施”的一部分，一台10PW设备应当会在罗马尼亚和捷克共和国启动，尽管该项目最近推迟了建造100PW级设备的时间。俄罗斯物理学家已经制定了名为“用于极端光学研究的艾瓦中心”的180PW激光器设计方案，而日本研究人员也已提出建造30PW设备的建议。

　　与此同时，一个美国国家科学、工程和医学院团队日前公布的研究显示，在这场竞争中缺席的是美国科学家。该研究呼吁美国能源部至少规划建造一座大功率激光器设施，而这为罗彻斯特大学的研究人员带来了希望。他们正在制定计划，打算建造名为“光参量放大线”（OPAL）的75PW激光器。

　　使激光器功率最大化

　　在上世纪60年代发明出来的激光器利用诸如闪光灯等外部“泵”激发雷射材料――通常是气体、晶体或者半导体――原子内的电子。当其中一个被激发的电子回到初始状态，便会释放光子。这反过来刺激另一个电子释放光子，以此类推。

　　由于功率等于能量除以时间，因此使功率最大化主要有两种方法：要么增强激光器的能量，要么缩短脉冲的持续时间。上世纪70年代，劳伦斯利物莫国家实验室（LLNL）的研究人员聚焦的是增强激光器能量的方法。他们的做法是让光束通过另外的由钕掺杂玻璃制成的激光晶体。不过，超过一定强度的光束会破坏放大器。为避免这一问题，LLNL不得不让放大器变得更大――直径达到几十厘米。但在1983年，如今在法国巴黎综合理工学院工作的Gerard Mourou和同事取得突破。他意识到，较短的激光脉冲可通过衍射光栅被及时扩展，从而减少其强度。在被安全地放大到更高能级后，光线可被另一个光栅再次压缩。最终的结果是：更加强大的脉冲和毫发无损的放大器。

　　这种“啁啾脉冲放大”已成为大功率激光器的基本特征。1996年，它使得LLNL研究人员利用激光器产生了世界上首个PW级脉冲。自此以后，LLNL一直在追寻更高能级，以实现激光驱动核聚变。在一次将微型氢胶囊加热至熔化温度的努力中，该实验室下属国家点火装置（NIF）创建了拥有1.8兆焦能量的脉冲。不过，这些脉冲相对较长，并且仍然只能产生1PW功率。

　　利用强光控制核过程

　　为获得高功率，科学家开始求助于时间域：使脉冲能量持续的时间更短。一种方法是放大钛掺杂蓝宝石晶体中的光线。此类晶体能产生拥有较宽频谱的光线。在由反射镜构成的激光器腔室中，这些脉冲被反弹回来。单个频率成分则在大多数脉冲持续时间内相互抵消，但会在仅持续几十飞秒的短暂脉冲中相互增强。为这些脉冲提供几百焦耳能量，将获得10PW峰值功率。这便是SULF和其他基于蓝宝石的激光器仅利用安装在一个大房间里并且只须花费几千万美元的设备，便能打破功率纪录的方式。相比之下，NIF的花费达35亿美元，并且需要一座10层高、面积和3个美式足球场相当的建筑物。

　　一旦激光器建造者解决了功率问题，另一项挑战便会到来：将光束带入异常密集的焦点。很多科学家更多地关心强度――每个单位面积的功率，而非总体的拍瓦数。实现更准的焦点定位，便意味着强度增加。如果100PW的脉冲能被聚焦到直径仅有3微米的斑点上，那么这一微小区域的强度将达到惊人的1024瓦特/平方厘米――比太阳光线照射地球的强度高出约25个数量级。

　　这种强度为打破真空态提供了可能。根据描述电磁场如何同物质相互作用的量子电动力学理论，真空并非如经典物理学认为的那么空。在极端的时间尺度上，因量子力学不确定性而诞生的正负电子对形成。然而，由于相互吸引，它们几乎在形成时便相互抵消了。

　　不过，原则上，超强激光会在粒子碰撞前将其分离。和任何电磁波一样，激光束也含有电场。随着光束的强度增加，电场的强度也在提高。俄罗斯科学院（RAS）应用物理研究所前所长、RAS 现任院长Alexander Sergeev介绍说，在1024瓦特/平方厘米的强度下，电场将强大到足以开始打破一些正负电子对之间的相互吸引。随后，激光场会使粒子振动，导致其释放电磁波――在这种情形下是伽马射线。反过来，伽马射线产生新的正负电子对，以此类推。这产生了可被探测到的粒子和辐射“雪崩”。“这将是全新的物理学现象。”Sergeev表示，伽马射线光子将拥有足够强大的能量，从而推动原子核进入激发态。这开创了一个名为核光子学的新的物理学分支――利用强光控制核过程。

　　打造梦想机器

　　较高的重复率对于利用高功率激光器驱动粒子束来说同样至关重要。在一种方案中，强激光束能将金属靶转变成等离子体。这一过程释放的电子反过来会将来自金属表面原子核的质子喷射出去。医生可以利用这些质子脉冲摧毁癌症，同时更高的射速将使开展小规模个人剂量的治疗变得更加容易。

　　对于物理学家来说，他们一直梦想着建造由快速发射的激光脉冲驱动的粒子加速器。当强激光脉冲击打由电子和阳离子构成的等离子体时，它会将较轻的电子向前推，从而将电荷分离并且创建出二次电场。该电场会“拖曳”粒子跟在光线后面，就像紧紧跟随快艇的水流。这种“激光尾波场加速”可在一两毫米的空间内将带电荷粒子加速到较高能级，而传统加速器需要数米宽的空间。速度由此被加快的电子会被磁体操控，以此产生所谓的自由电子激光器（FEL）。FEL产生极其明亮和短暂的X射线光，而后者能照亮短暂存在的化学和生物学现象。和传统加速器驱动的激光器相比，FEL要更加紧凑和廉价。

　　从长远来开，被高重复PW级脉冲加速的电子可将粒子物理学家梦想建造的机器成本大幅削减。他们的梦想是：建造可接替位于瑞士日内瓦附近欧洲核子研究委员会的大型强子对撞机的30公里长正负电子对撞机。英国伦敦帝国理工学院等离子体物理学家Stuart Mangles表示，和现在构想的成本约为100亿美元的机器相比，基于100PW激光器的设备长度至少会短10倍，成本也将至少缩减1/10。（宗华编译）