參觀最強激光器

編譯 胡德良

2018年諾貝爾物理學獎的獲得者不僅做出了某些發現，他們的變革性研究使強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獎的那一天，我已經計劃要參觀一下網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建了地球上最為強大的激光脈沖之一。

由BELLA激光脈沖驅動的微型激光等離子加速器。科學家希望，有朝一日這樣的加速器會有助于治療癌癥或縮減當今最大物理實驗的規模

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年的諾貝爾物理學獎，以表彰他們為激光技術的進步所做出的貢獻。50多年以來，斯特里克蘭是首位女性諾貝爾物理學獎的得主，也是諾獎歷史上第三位女性物理學獎得主。BELLA和其他高功率激光器采用了斯特里克蘭和穆魯開發的技術——啁啾脈沖放大技術，產生了令人難以置信的高能激光脈沖。有朝一日，這些設備可能：成為醫用桌面粒子加速器的動力，用作原子成像的顯微鏡，推動物理學前沿進一步發展。

在一次采訪中，滑鐵盧大學教授斯特里克蘭告訴Gizmodo科技網站的記者說：“當我聽到制造這些激光器的人們的演講時，當我看到通過這些激光器所做的科學研究時，我想：我竟然做出能夠改變某個科學領域的事情，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光，但是激光利用光子（光的最小單位）來產生強光，其電磁場完全同步。激光器利用稱為“受激發射”的過程發光。

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，然后這些電子自發降到低能態，釋放出光子，這就是“自發發射”。但是，如果把足夠的電子放到一種介質中，使其處于受激態，新光子會使電子降到低能態，釋放出光子而不吸收光子。在這種情況下，適當調諧的光子具有特定的波長、相位和方向，會誘導受激電子釋放出具有同樣性質的光子。現代的激光器中包含激發電子的輸入能源裝置，這種裝置處于一種類似晶體的介質中，這種介質位于兩塊鏡子之間，其中的一塊鏡子只是局部反射光線。在兩塊鏡子之間持續反射的光不斷受激發射，形成通過局部反射的鏡子射出的單色光（激光）。

在發明啁啾脈沖放大技術之前，激光脈沖的強度似乎是有限制的。增加功率可能會改變激光介質的光學特性，使光束扭曲，甚至損壞介質。這成為阻礙激光科學發展的主要問題，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的情況下實現放大。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1秒鐘，如果脈沖不間斷，那么在你關閉它之前，就已經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：“當你把所有光子擠壓在一起的時候，光子的數量是特別巨大的。”的確，如果你的手擋住了這樣的光束，就會受到嚴重的燒傷，甚至，特別強大的聚焦激光脈沖可以粉碎藍寶石。

BELLA可以對類固醇進行啁啾脈沖放大。該過程開始于一種激光介質——含有鈦原子的合成藍寶石晶體。光束穿過下一部分——拉伸器，拉伸器能夠將脈沖及時傳播出去。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的藍寶石激光晶體

BELLA將40焦耳的能量（相當于相機閃光能量的好幾倍）裝入僅僅持續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生什么情況，BELLA主管維姆·利曼斯（Wim Leemans）不愿意進行任何猜測，但是可以肯定地說，他會受到嚴重傷害，甚至會死亡。

BELLA加速了這個塊狀裝置里的等離子體的電子

從工業到醫學研究，像這樣的激光器應用范圍很廣。然而，穆魯和其他人員已經意識到，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模，以至于不再需要像瑞士大型強子對撞機那樣的大型基礎設施。總有一天，激光等離子體加速器可能會出現在日常環境中，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年諾貝爾物理學獎科學背景介紹中，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存有等離子體，BELLA的激光脈沖通過其中的等離子體，能夠將等離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生的能量。

在搬上桌面之前，還有許多問題需要解決。激光驅動的粒子加速器可以應用在癌癥治療等領域，還可以提高這種設備發射脈沖的頻率。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，這項技術可以把這樣的癌癥療法帶給任何人，使患者不需要去醫院就醫。利斯曼說：“你可以把整個系統安裝在卡車里。”

當我們說斯特里克蘭和穆魯的研究改變了這個領域時，我們是認真的。盡管BELLA一度保持著世界上最強激光脈沖的紀錄，但其他的實驗室已經取代了BELLA的位置，那些實驗室有著雄心勃勃的目標，如“打破真空”，即將足夠的能量擠壓到一個區域，通過真空產生粒子；這是以前從來沒有研究過的領域。由于這項激光技術的突破，科學家開辟了全新的研究領域。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