jbo竞博-物理学家正计划建造可将真空撕裂的强大激光器

本文摘要：在中国上海一间狭小的实验室里，物理学家李儒新和同事正在建构有史以来最强劲的激光脉冲，并因此超越世界纪录。

在中国上海一间狭小的实验室里，物理学家李儒新和同事正在建构有史以来最强劲的激光脉冲，并因此超越世界纪录。他们研制的激光器取名为“上海极强非同激光实验装置”（SULF）。该装置的核心是一个宽度和飞盘非常、由掺入钛蓝宝石包含的单缸。

在照亮晶体中的光线并使其穿越由透镜和反射镜包含的系统后，SULF将光线变为力量强大到令人震惊的脉冲。2016年，它超过了史无前例的5．3拍电影瓦（英文全称PW，1PW＝1000万亿瓦）。坐落于中国上海的激光器刷新了仅次于功率纪录目前，研究人员正在升级该激光器，以期在今年年底超越自己刷新的纪录，超过10PW——相等于全球电网功率的1000余倍。不过，该团队的雄心未负于于此。

今年，李儒新和同事想开始修建取名为“极强激光车站”（SEL）的100PW激光器。到2023年，它将把脉冲“扔到”地下20米深处的腔室，从而建构出有一般来说在地球上无法超过的极端温度和压力。

天体物理学家和材料科学家将因此获益。美国斯坦福大学原子物理学家PhilipBucksbaum回应，中国团队在研制100PW激光器的道路上“占有意味著领先地位”。不过，竞争也很白热化。

未来几年内，作为欧洲“极光基础设施”的一部分，一台10PW设备应该不会在罗马尼亚和捷克共和国启动，尽管该项目最近延期了修建100PW级设备的时间。俄罗斯物理学家早已制订了取名为“用作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明确提出修建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发布的研究表明，在这场竞争中缺席的是美国科学家。该研究敦促美国能源部最少规划修建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给了期望。

他们正在制订计划，想修建取名为“光参量缩放线”（OPAL）的75PW激光器。使激光器功率最大化在上世纪60年代发明者出来的激光器利用诸如闪光灯等外部“泵”唤起雷射材料——一般来说是气体、晶体或者半导体——原子内的电子。当其中一个被唤起的电子返回初始状态，之后不会获释光子。这反过来性刺激另一个电子获释光子，以此类推。

由于功率相等能量除以时间，因此使功率最大化主要有两种方法：要么强化激光器的能量，要么延长脉冲的持续时间。上世纪70年代，劳伦斯利物什国家实验室（LLNL）的研究人员探讨的是强化激光器能量的方法。

他们的作法是让光束通过另外的由钕掺入玻璃做成的激光晶体。不过，多达一定强度的光束不会毁坏放大器。为防止这一问题，LLNL被迫让放大器显得更大——直径超过几十厘米。但在1983年，如今在法国巴黎综合理工学院工作的GerardMourou和同事获得突破。

他意识到，较短的激光脉冲可通过散射光栅被及时拓展，从而增加其强度。在被安全性地缩放到更高能级后，光线可被另一个光栅再度传输。最后的结果是：更为强劲的脉冲和毫发无损的放大器。

这种“啁啾脉冲缩放”已沦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仍然在找寻更高能级，以构建激光驱动核聚变。

在一次将微型氢胶囊冷却至熔融温度的希望中，该实验室辖下国家点火装置（NIF）创立了享有1．8兆焦能量的脉冲。不过，这些脉冲比较较长，并且依然不能产生1PW功率。利用强光掌控核过程为取得高功率，科学家开始无可奈何时间域：使脉冲能量持续的时间更加较短。

一种方法是缩放钛掺入蓝宝石晶体中的光线。此类晶体能产生享有较宽频谱的光线。在由反射镜包含的激光器腔室中，这些脉冲被声浪回去。

单个频率成分则在大多数脉冲持续时间内互相抵销，但不会在仅有持续几十飞秒的一段时间脉冲中互相强化。为这些脉冲获取几百焦耳能量，将取得10PW峰值功率。这乃是SULF和其他基于蓝宝石的激光器仅有利用加装在一个大房间里并且只须花费几千万美元的设备，之后能超越功率纪录的方式。

相比之下，NIF的花费约35亿美元，并且必须一座10层高、面积和3个美式足球场非常的建筑物。一旦激光器建造者解决问题了功率问题，另一项挑战之后不会来临：将光束带进出现异常密集的焦点。

很多科学家更好地关心强度——每个单位面积的功率，而非总体的拍瓦数。构建更加定的焦点定位，之后意味著强度减少。如果100PW的脉冲能被探讨到直径仅有3微米的斑点上，那么这一微小区域的强度将超过难以置信的1024瓦特／平方厘米——比太阳光线太阳光地球的强度高达大约25个数量级。

这种强度为超越真空态获取了有可能。根据叙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指出的那么空。在极端的时间尺度上，因量子力学不确定性而问世的正负电子对构成。

然而，由于互相更有，它们完全在构成时之后互相抵销了。不过，应以，极强激光不会在粒子撞击前将其分离出来。和任何电磁波一样，激光束也所含电场。

随着光束的强度减少，电场的强度也在提升。俄罗斯科学院（RAS）应用于物理研究所前所长、RAS现任院长AlexanderSergeev讲解说道，在1024瓦特／平方厘米的强度下，电场将强劲到不足以开始超越一些正负电子对之间的互相更有。

随后，激光场会使粒子振动，造成其获释电磁波——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。这产生了可被观测到的粒子和电磁辐射“雪崩”。

“这将是全新的物理学现象。”Sergeev回应，伽马射线光子将享有充足强劲的能量，从而推展原子核转入激发态。这首创了一个取名为核光子学的新的物理学分支——利用强光掌控核过程。

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