物理学家正计划建造可将真空撕裂的强大激光器

位于中国上海的激光创下了最大功率的纪录。

资料来源:KAN ZHAN

在中国上海的一个狭小的实验室里，物理学家李如新和他的同事们正在创造有史以来最强的激光脉冲，从而打破了世界纪录。他们开发的激光器被称为“上海超强超短激光实验装置”(SULF)。该装置的核心是一个由掺钛蓝宝石制成的圆柱体，其宽度相当于一个飞盘。在照亮晶体中的光线并使其通过透镜和镜子系统后，SULF将光线转变成一种令人震惊的强大脉冲。2016年，它达到了前所未有的5.3瓦特。

目前，研究人员正在升级激光器，以期在今年年底打破自己的记录，达到10千瓦，相当于全球电网功率的1000多倍。然而，球队的雄心并没有就此止步。今年，李如新和他的同事计划开始建造一个100瓦的激光器，称为“超级激光站”。到2023年，它将把脉冲“扔”进地下20米的一个腔室，产生地球上通常无法获得的极端温度和压力。天体物理学家和材料科学家将从中受益。

美国斯坦福大学的原子物理学家菲利普·巴克斯巴姆(Philip Bucksbaum)表示，中国团队在开发100千瓦激光器方面“绝对领先”。然而，竞争也非常激烈。未来几年，作为欧洲“极光基础设施”的一部分，10PW设备将在罗马尼亚和捷克*推出，尽管该项目最近推迟了100PW级设备的建设。俄罗斯物理学家开发了一种180瓦激光的设计方案，名为“爱娃极限光学研究中心”，而日本研究人员也提议建造一种30瓦的装置。

与此同时，美国国家科学、工程和医学院团队最近发布的一项研究显示，美国科学家没有参加竞赛。这项研究呼吁美国能源部至少计划建造一个高功率激光设施，这给罗切斯特大学的研究人员带来了希望。他们正计划建造一种75PW的激光器，称为“光学参量放大线”(OPAL)。

最大化激光功率

20世纪60年代发明的激光器使用外部“泵”，如闪光灯，来激发激光材料(通常是气体、晶体或半导体)原子中的电子。当一个受激电子回到初始状态时，光子将被释放。这反过来刺激另一个电子释放光子，等等。

因为功率等于能量除以时间，所以主要有两种方法来最大化功率:要么增加激光的能量，要么缩短脉冲的持续时间。20世纪70年代，劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员专注于提高激光能量的方法。他们的方法是让光束通过另一个由掺钕玻璃制成的激光晶体。然而，超过一定强度的光束会损坏放大器。为了避免这个问题，LLNL不得不把放大器做得更大——直径几十厘米。但是在1983年，Gerard Mourou和他的同事，现在在法国巴黎的理工学院工作，取得了突破。他意识到较短的激光脉冲可以通过衍射光栅在时间上延长，从而降低它们的强度。在被安全地放大到更高的能量水平后，光可以被另一个光栅再次压缩。最终结果是:更强的脉冲和一个毫发无损的放大器。

这种“啁啾脉冲放大”已经成为高功率激光器的基本特征。1996年，它使LLNL的研究人员能够使用激光产生世界上第一个脉冲宽度的脉冲。从那以后，LLNL一直在追求更高的能量水平来实现激光驱动核聚变。为了将微型氢胶囊加热到熔化温度，实验室的国家点火装置(NIF)产生了一个能量为1.8兆焦耳的脉冲。然而，这些脉冲相对较长，仍然只产生1千瓦的功率。

用强光控制核过程

为了获得高功率，科学家们开始转向时域:使脉冲能量持续更短的时间。一种方法是放大掺钛蓝宝石晶体中的光。这种晶体可以产生宽光谱的光。这些脉冲在由镜子组成的激光腔中被反射回来。单个频率分量在大多数脉冲持续时间内相互抵消，但在仅持续几十飞秒的短脉冲内相互增强。为这些脉冲提供几百焦耳的能量将获得10千瓦的峰值功率。这就是为什么SULF和其他蓝宝石激光器只需在一个大房间里安装设备就能打破功率记录，而且成本高达数千万美元。相比之下，NIF耗资35亿美元，需要一栋10层建筑，面积相当于三个足球场。

一旦激光建造者解决了能量问题，另一个挑战就来了:将光束聚焦到异常密集的焦点。许多科学家更关心强度——单位面积的功率，而不是总瓦特数。获得更精确的焦点位置意味着强度的增加。如果一个100瓦的脉冲能够聚焦在一个直径只有3微米的点上，这个微小区域的强度将达到惊人的1024瓦每平方厘米——比撞击地球的太阳光线强度高大约25个数量级。

这种强度使得打破真空状态成为可能。根据描述电磁场如何与物质相互作用的量子电动力学理论，真空并不像经典物理学认为的那样空。在极端的时间尺度上，由于量子力学的不确定性，形成了正负电子对。然而，由于相互吸引，它们在形成时几乎相互抵消。

然而，原则上，超强激光会在粒子碰撞前将其分离。像任何电磁波一样，激光束包含电场。随着光束强度的增加，电场强度也增加。俄罗斯科学院应用物理研究所前所长、现任所长亚历山大·谢尔盖耶夫说，在每平方厘米1024瓦的功率下，电场强度足以开始打破正负电子对之间的吸引力。然后激光场使粒子振动，导致它们发射电磁波——在这种情况下是伽马射线。反过来，伽马射线产生新的正负电子对，以此类推。这产生了可检测到的粒子和辐射的“雪崩”。"这将是物理学中一个全新的现象."谢尔盖耶夫说，伽马射线光子将有足够的能量推动原子核进入激发态。这创造了一个新的物理学分支，叫做核光子学——用强光控制核过程。

建造一台梦想机器

更高的重复频率对于用高功率激光驱动粒子束也是至关重要的。在一个方案中，强激光束可以将金属靶转化为等离子体。在这个过程中释放的电子将反过来从金属表面的原子核中喷射出质子。医生可以利用这些质子脉冲来消灭癌症，而更高的发射率将使小规模个体剂量治疗更容易进行。

对于物理学家来说，他们一直梦想建造由快速发射激光脉冲驱动的粒子加速器。当强激光脉冲撞击由电子和阳离子组成的等离子体时，它推动较轻的电子前进，分离电荷并产生二次电场。电场“拖动”光线后面的粒子，就像快艇的电流一样。这种“激光尾流场加速”可以在1到2毫米的空间内将带电粒子加速到更高的能量水平，而传统的加速器需要几米宽的空间。速度被加速的电子被磁铁操纵，产生所谓的*电子激光器。*电子激光产生极其明亮和短暂的X射线光，照亮短暂的化学和生物现象。与传统的加速器驱动激光器相比，*电子激光更紧凑、更便宜。

从长远来看，被高重复脉冲加速的电子可以大大降低粒子物理学家梦想建造的机器的成本。他们的梦想是建造一台30公里长的正电子对撞机，取代瑞士日内瓦附近的欧洲核研究委员会的大型强子对撞机。英国伦敦帝国理工学院的等离子体物理学家斯图尔特·曼格斯(Stuart Mangles)表示，与目前花费约100亿美元构思的机器相比，基于100千瓦激光的设备长度将至少缩短10倍，成本将至少降低1/10。(宗华编译)