參觀最強(qiáng)激光器

編譯 胡德良

2018年諾貝爾物理學(xué)獎的獲得者不僅做出了某些發(fā)現(xiàn)，他們的變革性研究使強(qiáng)大的激光成為無處不在的實驗室工具。2018年10月宣布諾貝爾物理學(xué)獎的那一天，我已經(jīng)計劃要參觀一下網(wǎng)球場大小的伯克利實驗室激光加速器（BELLA），該加速器利用了獲得諾貝爾獎的方法創(chuàng)建了地球上最為強(qiáng)大的激光脈沖之一。

由BELLA激光脈沖驅(qū)動的微型激光等離子加速器?？茖W(xué)家希望，有朝一日這樣的加速器會有助于治療癌癥或縮減當(dāng)今最大物理實驗的規(guī)模

唐娜·斯特里克蘭（Donna Strickland）、杰拉德·穆魯（Gérard Mourou）和阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin）分享了2018年的諾貝爾物理學(xué)獎，以表彰他們?yōu)榧す饧夹g(shù)的進(jìn)步所做出的貢獻(xiàn)。50多年以來，斯特里克蘭是首位女性諾貝爾物理學(xué)獎的得主，也是諾獎歷史上第三位女性物理學(xué)獎得主。BELLA和其他高功率激光器采用了斯特里克蘭和穆魯開發(fā)的技術(shù)——啁啾脈沖放大技術(shù)，產(chǎn)生了令人難以置信的高能激光脈沖。有朝一日，這些設(shè)備可能：成為醫(yī)用桌面粒子加速器的動力，用作原子成像的顯微鏡，推動物理學(xué)前沿進(jìn)一步發(fā)展。

在一次采訪中，滑鐵盧大學(xué)教授斯特里克蘭告訴Gizmodo科技網(wǎng)站的記者說：“當(dāng)我聽到制造這些激光器的人們的演講時，當(dāng)我看到通過這些激光器所做的科學(xué)研究時，我想：我竟然做出能夠改變某個科學(xué)領(lǐng)域的事情，這真是太令人難以置信了！”

電燈以不同的波長朝所有方向發(fā)光，但是激光利用光子（光的最小單位）來產(chǎn)生強(qiáng)光，其電磁場完全同步。激光器利用稱為“受激發(fā)射”的過程發(fā)光。

通常原子以光子的形式吸收輻射，這使其電子躍遷到高能態(tài)，然后這些電子自發(fā)降到低能態(tài)，釋放出光子，這就是“自發(fā)發(fā)射”。但是，如果把足夠的電子放到一種介質(zhì)中，使其處于受激態(tài)，新光子會使電子降到低能態(tài)，釋放出光子而不吸收光子。在這種情況下，適當(dāng)調(diào)諧的光子具有特定的波長、相位和方向，會誘導(dǎo)受激電子釋放出具有同樣性質(zhì)的光子?，F(xiàn)代的激光器中包含激發(fā)電子的輸入能源裝置，這種裝置處于一種類似晶體的介質(zhì)中，這種介質(zhì)位于兩塊鏡子之間，其中的一塊鏡子只是局部反射光線。在兩塊鏡子之間持續(xù)反射的光不斷受激發(fā)射，形成通過局部反射的鏡子射出的單色光（激光）。

在發(fā)明啁啾脈沖放大技術(shù)之前，激光脈沖的強(qiáng)度似乎是有限制的。增加功率可能會改變激光介質(zhì)的光學(xué)特性，使光束扭曲，甚至損壞介質(zhì)。這成為阻礙激光科學(xué)發(fā)展的主要問題，需要建造龐大的激光器，直到斯特里克蘭和穆魯改變了這種情況。

20世紀(jì)80年代，斯特里克蘭和穆魯解決了激光器的啁啾脈沖放大問題。這個過程始于短脈沖，該脈沖通過一對光柵反射使其變長。光柵的作用類似于棱鏡，致使不同顏色的光通過不同長度的路徑。由于功率只是隨著時間而傳遞的能量，因此把光拉長會降低其功率，這樣就能夠在不損壞激光介質(zhì)的情況下實現(xiàn)放大。最終，放大的脈沖通過一臺壓縮器，將其擠壓成較短的脈沖——這是一種更具威力的脈沖。該方法使研究人員能夠獲得可以放在桌面的強(qiáng)大激光脈沖，并且能夠使像BELLA這樣的高功率激光脈沖工具更具可行性。

那么，這種激光脈沖和普通的激光器有什么不同呢？斯特里克蘭解釋說：如果你從商店買來一款激光器，開啟開關(guān)1秒鐘，如果脈沖不間斷，那么在你關(guān)閉它之前，就已經(jīng)穿越從這里到月球距離的3/4。通過啁啾脈沖放大的激光器，可以將同樣數(shù)量的光子擠壓成只有一張紙那么厚的脈沖。斯特里克蘭說：“當(dāng)你把所有光子擠壓在一起的時候，光子的數(shù)量是特別巨大的?！钡拇_，如果你的手擋住了這樣的光束，就會受到嚴(yán)重的燒傷，甚至，特別強(qiáng)大的聚焦激光脈沖可以粉碎藍(lán)寶石。

BELLA可以對類固醇進(jìn)行啁啾脈沖放大。該過程開始于一種激光介質(zhì)——含有鈦原子的合成藍(lán)寶石晶體。光束穿過下一部分——拉伸器，拉伸器能夠?qū)⒚}沖及時傳播出去。一系列小型激光器激活了更多摻雜鈦原子的藍(lán)寶石晶體，在光束通過6個放大器之時，為拉伸的脈沖增添能量。另一端是壓縮器，最后是一面鏡子，用來聚焦光束，然后再將光束傳遞到實驗中。

BELLA的藍(lán)寶石激光晶體

BELLA將40焦耳的能量（相當(dāng)于相機(jī)閃光能量的好幾倍）裝入僅僅持續(xù)40飛秒的紅外脈沖中，這個時間比蜜蜂拍一下翅膀還要快1萬億倍。對于這種激光脈沖如果擊中一個人的話會發(fā)生什么情況，BELLA主管維姆·利曼斯（Wim Leemans）不愿意進(jìn)行任何猜測，但是可以肯定地說，他會受到嚴(yán)重傷害，甚至?xí)劳觥?/p>

BELLA加速了這個塊狀裝置里的等離子體的電子

從工業(yè)到醫(yī)學(xué)研究，像這樣的激光器應(yīng)用范圍很廣。然而，穆魯和其他人員已經(jīng)意識到，這些高功率激光器可以作為一種全新的方式，將粒子加速到高能量，而BELLA正是用于這方面的研究。科學(xué)家夢想有朝一日：這些激光等離子體加速器可以縮減粒子物理實驗的規(guī)模，以至于不再需要像瑞士大型強(qiáng)子對撞機(jī)那樣的大型基礎(chǔ)設(shè)施?？傆幸惶?，激光等離子體加速器可能會出現(xiàn)在日常環(huán)境中，可以作為一種癌癥療法，利用其中的粒子靶向和損毀腫瘤。在2018年諾貝爾物理學(xué)獎科學(xué)背景介紹中，諾貝爾獎委員會提到了激光等離子體加速技術(shù)和BELLA。

在伯克利國家實驗室，利曼斯帶我走過記錄粒子加速器歷史的洞穴走廊時，向我展示了大約有半塊黃油大小的塊狀裝置，該裝置中嵌入的一個管狀體內(nèi)存有等離子體，BELLA的激光脈沖通過其中的等離子體，能夠?qū)⒌入x子體中的電子加速到高能量，接近世界上一些最高能的電子加速器所產(chǎn)生的能量。

在搬上桌面之前，還有許多問題需要解決。激光驅(qū)動的粒子加速器可以應(yīng)用在癌癥治療等領(lǐng)域，還可以提高這種設(shè)備發(fā)射脈沖的頻率。然而，用于癌癥治療的粒子加速器不需要像BELLA那樣大的激光器。畢竟，啁啾脈沖放大技術(shù)允許存在桌面大小的太瓦級激光脈沖。從理論上講，這項技術(shù)可以把這樣的癌癥療法帶給任何人，使患者不需要去醫(yī)院就醫(yī)。利斯曼說：“你可以把整個系統(tǒng)安裝在卡車?yán)??！?/p>

當(dāng)我們說斯特里克蘭和穆魯?shù)难芯扛淖兞诉@個領(lǐng)域時，我們是認(rèn)真的。盡管BELLA一度保持著世界上最強(qiáng)激光脈沖的紀(jì)錄，但其他的實驗室已經(jīng)取代了BELLA的位置，那些實驗室有著雄心勃勃的目標(biāo)，如“打破真空”，即將足夠的能量擠壓到一個區(qū)域，通過真空產(chǎn)生粒子；這是以前從來沒有研究過的領(lǐng)域。由于這項激光技術(shù)的突破，科學(xué)家開辟了全新的研究領(lǐng)域。斯特里克蘭說：“非常了不起！脈沖更短了，能量更高了，這就改變了一切！”

資料來源 Gizmodo.com