参观最强激光器

编译 胡德良

2018年诺贝尔物理学奖的获得者不仅做出了某些发现，他们的变革性研究使强大的激光成为无处不在的实验室工具。2018年10月宣布诺贝尔物理学奖的那一天，我已经计划要参观一下网球场大小的伯克利实验室激光加速器（BELLA），该加速器利用了获得诺贝尔奖的方法创建了地球上最为强大的激光脉冲之一。

由BELLA激光脉冲驱动的微型激光等离子加速器。科学家希望，有朝一日这样的加速器会有助于治疗癌症或缩减当今最大物理实验的规模

唐娜·斯特里克兰（Donna Strickland）、杰拉德·穆鲁（Gérard Mourou）和阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin）分享了2018年的诺贝尔物理学奖，以表彰他们为激光技术的进步所做出的贡献。50多年以来，斯特里克兰是首位女性诺贝尔物理学奖的得主，也是诺奖历史上第三位女性物理学奖得主。BELLA和其他高功率激光器采用了斯特里克兰和穆鲁开发的技术——啁啾脉冲放大技术，产生了令人难以置信的高能激光脉冲。有朝一日，这些设备可能：成为医用桌面粒子加速器的动力，用作原子成像的显微镜，推动物理学前沿进一步发展。

在一次采访中，滑铁卢大学教授斯特里克兰告诉Gizmodo科技网站的记者说：“当我听到制造这些激光器的人们的演讲时，当我看到通过这些激光器所做的科学研究时，我想：我竟然做出能够改变某个科学领域的事情，这真是太令人难以置信了！”

电灯以不同的波长朝所有方向发光，但是激光利用光子（光的最小单位）来产生强光，其电磁场完全同步。激光器利用称为“受激发射”的过程发光。

通常原子以光子的形式吸收辐射，这使其电子跃迁到高能态，然后这些电子自发降到低能态，释放出光子，这就是“自发发射”。但是，如果把足够的电子放到一种介质中，使其处于受激态，新光子会使电子降到低能态，释放出光子而不吸收光子。在这种情况下，适当调谐的光子具有特定的波长、相位和方向，会诱导受激电子释放出具有同样性质的光子。现代的激光器中包含激发电子的输入能源装置，这种装置处于一种类似晶体的介质中，这种介质位于两块镜子之间，其中的一块镜子只是局部反射光线。在两块镜子之间持续反射的光不断受激发射，形成通过局部反射的镜子射出的单色光（激光）。

在发明啁啾脉冲放大技术之前，激光脉冲的强度似乎是有限制的。增加功率可能会改变激光介质的光学特性，使光束扭曲，甚至损坏介质。这成为阻碍激光科学发展的主要问题，需要建造庞大的激光器，直到斯特里克兰和穆鲁改变了这种情况。

20世纪80年代，斯特里克兰和穆鲁解决了激光器的啁啾脉冲放大问题。这个过程始于短脉冲，该脉冲通过一对光栅反射使其变长。光栅的作用类似于棱镜，致使不同颜色的光通过不同长度的路径。由于功率只是随着时间而传递的能量，因此把光拉长会降低其功率，这样就能够在不损坏激光介质的情况下实现放大。最终，放大的脉冲通过一台压缩器，将其挤压成较短的脉冲——这是一种更具威力的脉冲。该方法使研究人员能够获得可以放在桌面的强大激光脉冲，并且能够使像BELLA这样的高功率激光脉冲工具更具可行性。

那么，这种激光脉冲和普通的激光器有什么不同呢？斯特里克兰解释说：如果你从商店买来一款激光器，开启开关1秒钟，如果脉冲不间断，那么在你关闭它之前，就已经穿越从这里到月球距离的3/4。通过啁啾脉冲放大的激光器，可以将同样数量的光子挤压成只有一张纸那么厚的脉冲。斯特里克兰说：“当你把所有光子挤压在一起的时候，光子的数量是特别巨大的。”的确，如果你的手挡住了这样的光束，就会受到严重的烧伤，甚至，特别强大的聚焦激光脉冲可以粉碎蓝宝石。

BELLA可以对类固醇进行啁啾脉冲放大。该过程开始于一种激光介质——含有钛原子的合成蓝宝石晶体。光束穿过下一部分——拉伸器，拉伸器能够将脉冲及时传播出去。一系列小型激光器激活了更多掺杂钛原子的蓝宝石晶体，在光束通过6个放大器之时，为拉伸的脉冲增添能量。另一端是压缩器，最后是一面镜子，用来聚焦光束，然后再将光束传递到实验中。

BELLA的蓝宝石激光晶体

BELLA将40焦耳的能量（相当于相机闪光能量的好几倍）装入仅仅持续40飞秒的红外脉冲中，这个时间比蜜蜂拍一下翅膀还要快1万亿倍。对于这种激光脉冲如果击中一个人的话会发生什么情况，BELLA主管维姆·利曼斯（Wim Leemans）不愿意进行任何猜测，但是可以肯定地说，他会受到严重伤害，甚至会死亡。

BELLA加速了这个块状装置里的等离子体的电子

从工业到医学研究，像这样的激光器应用范围很广。然而，穆鲁和其他人员已经意识到，这些高功率激光器可以作为一种全新的方式，将粒子加速到高能量，而BELLA正是用于这方面的研究。科学家梦想有朝一日：这些激光等离子体加速器可以缩减粒子物理实验的规模，以至于不再需要像瑞士大型强子对撞机那样的大型基础设施。总有一天，激光等离子体加速器可能会出现在日常环境中，可以作为一种癌症疗法，利用其中的粒子靶向和损毁肿瘤。在2018年诺贝尔物理学奖科学背景介绍中，诺贝尔奖委员会提到了激光等离子体加速技术和BELLA。

在伯克利国家实验室，利曼斯带我走过记录粒子加速器历史的洞穴走廊时，向我展示了大约有半块黄油大小的块状装置，该装置中嵌入的一个管状体内存有等离子体，BELLA的激光脉冲通过其中的等离子体，能够将等离子体中的电子加速到高能量，接近世界上一些最高能的电子加速器所产生的能量。

在搬上桌面之前，还有许多问题需要解决。激光驱动的粒子加速器可以应用在癌症治疗等领域，还可以提高这种设备发射脉冲的频率。然而，用于癌症治疗的粒子加速器不需要像BELLA那样大的激光器。毕竟，啁啾脉冲放大技术允许存在桌面大小的太瓦级激光脉冲。从理论上讲，这项技术可以把这样的癌症疗法带给任何人，使患者不需要去医院就医。利斯曼说：“你可以把整个系统安装在卡车里。”

当我们说斯特里克兰和穆鲁的研究改变了这个领域时，我们是认真的。尽管BELLA一度保持着世界上最强激光脉冲的纪录，但其他的实验室已经取代了BELLA的位置，那些实验室有着雄心勃勃的目标，如“打破真空”，即将足够的能量挤压到一个区域，通过真空产生粒子；这是以前从来没有研究过的领域。由于这项激光技术的突破，科学家开辟了全新的研究领域。斯特里克兰说：“非常了不起！脉冲更短了，能量更高了，这就改变了一切！”

资料来源 Gizmodo.com