新科諾獎得主親筆深度解:什麼是啁啾脈衝放大技術?
2018年10月04日07:33

  來源:環球科學

  2018年10月2日,諾貝爾物理學獎授予發明光學鑷子的美國物理學家阿瑟・阿什金(Arthur Ashkin),以及開創了啁啾脈衝放大技術的唐娜・斯特里克蘭(Donna Strickland)、 熱拉爾・穆魯(Gérard Mourou)。“啁啾脈衝放大技術”在此之前可能並不為公眾所熟知。但事實上,這項名稱怪異的技術,已經在工業及醫療領域發揮了重要作用。2002年,熱拉爾・穆魯曾為《科學美國人》撰文,深度解讀啁啾脈衝放大技術。以下為全文翻譯:

  撰文 | Gerard A.Mourou,Donald Umstadter

  翻譯 | 郭凱聲

  審校 | 趙輝

熱拉爾・穆魯(Gérard Mourou)
熱拉爾・穆魯(Gérard Mourou)

  人類自有文明起,就夢想能獲得強光。傳說公元212年,阿基米德曾用一面巨大的反射鏡將陽光聚焦,點燃了集結在敘拉古的羅馬戰船而使敵人葬身火海。雖然這個故事只是神話,但另一位希臘人Diocles的發明卻是真的。公元前200年,他製作了一個拋物面反射鏡,這可算得上人類歷史上第一種理想的聚焦光學器件。兩千年以後,研究人員把反射鏡與量子力學結合起來,獲得了一種無所不能的高強度光源――激光。

  一台名叫Nova(新星)的激光器於1985年在美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室投入運行,一直工作到l999年,現在它已成為大功率激光器的象徵。這台激光器因其亮度堪與爆炸後的恒星亮度相媲美而得名,它是迄今為止功率最大的激光器之一。l0台並排放置的激光放大器佔據了500多平方米大的空間;反射鏡用重達180多公斤的玻璃塊製成,它把光束引向目標來進行核聚變和其它各種實驗。為避免機器過熱,Nova每天只開動幾次。很明顯,為了達到極高的功率,它不得不聚集大量的能量。

  但是要記住功率是單位時間內傳送出的能量,它不僅與能量的大小有關,也與發送能量的時間長短有關。因此,我們可以通過另一種方法來產生超高功率,那就是在極短的時間內釋放出適當的能量。按現今超快激光器所達到的水平來衡量,Nova通常產生的脈衝是相當長的(3納秒),而產生每個脈衝需要數千焦耳的能量。一種新型的激光器小得可以安裝在桌面上,但它產生的功率卻與Nova不相上下,其奧妙就在於它使用的脈衝僅為Nova的萬分之一。例如,假定一台超高功率激光器的每個脈衝只有區區1焦耳的能量,但脈衝持續時間卻短至l00飛秒(1飛秒為10^-15秒),那麼它的功率便可達到10萬億瓦,比全世界所有發電站的總發電量還大。

  這類小型激光器每天可點燃1億次,並可以把它們發出的能量集中在只有1微米的小點上,從而產生出地球上強度最高的光。這樣大的功率同時也形成了地球上最強的電場,其大小為每釐米1萬億伏左右。這種高強度激光與物質的相互作用可以產生只有在恒星內核或黑洞附近才能觀察到的極端物理條件,包括極高的溫度(10^10開氏度),極強的磁場(10^9高斯)和極大的粒子加速度(相當於地球上重力加速度的10^25倍)。

  這類激光器的造價僅為l00萬美元而非人們所想的數億美元,因此它們將有助於讓“高級科學”回歸普通的大學實驗室,而研究資金有限的國家也可以涉足這一領域的研究。在世界各地,這種激光器已經用於物理學若干分支的研究工作,其中包括核物理學、天體物理學、高能粒子物理學以及廣義相對論等。

  絕技逞威

  激光器是在1960年問世的。其後的5年間,台式激光器通過一系列的技術改進已達到10^9瓦的功率。再後的20年中沒有出現多大進展,台式激光器的最大功率基本上在原地徘徊。當時提高激光器功率的唯一辦法就是研製出更大的激光器。如果使激光器超出極限光強度的範圍以外,將使激光器元件產生有害的非線性效應,影響光束質量,甚至損壞元件。Mourou(本文作者之一)所領導的研究小組推出了一項名為“啁啾調頻脈衝放大”(Chirped Pulse Amplification)的技術以後,這一光學破壞問題才得以解決。台式激光器的輸出功率因此而猛增了10^3到l0^5倍。

  對一個信號或波進行“啁啾調頻”(Chirping)就是把它在時間上拉長。在通過啁啾調頻放大脈衝時,第一步是用振盪器產生一個短脈衝並把它拉長,通常拉長10^3到10^5倍。這一過程使脈衝的強度下降了同樣的倍數。然後就可以用標準的激光放大方法來放大這個脈衝。最後一步則是用一台結實的裝置(如真空中的一對衍射光柵)將脈衝重新壓縮回它原先的長度,這樣就使它的功率大大提高,超出放大器功率極限的10^3到10^5倍。我們來看一個典型的例子。最初的種子脈衝其長度為l00飛秒,能量為0.2納焦耳。我們把它拉長10^4倍,使其長度變為1納秒(其功率則從大約2千瓦降低到0.2瓦)。然後把它放大10個數量級,這樣它的能量就增加到2焦耳,功率增加到2千瓦。把這個脈衝的長度重新壓縮到100飛秒,就使功率增加到20萬億瓦。如果沒有這項技術,讓最初那個功率為2千瓦的脈衝穿過台式放大器很可能導致放大器被毀,除非我們把放大器的橫截面積擴大10^4倍,並讓光束分散到整個橫截面上。CPA技術使我們有可能利用傳統的激光放大器而又不會導致非線性光學效應的出現。

  完善CPA技術並不像說起來那樣簡單。用來拉長或壓縮脈衝的標準器件一般並不能使脈衝實現完全線性的拉長或壓縮;如果啁啾調頻裝置和脈衝壓縮裝置的特性不能高度匹配,那麼這一過程將產生非常糟糕的結果。

  過去幾年中,由於矯正光學器件的發展使激光束能夠被聚焦成尺寸小得多的光斑,光強度有了進一步提高。這一進展以及脈衝壓縮技術的持續改進使脈衝強度已提高到給定光能量下所能達到的最大強度。

  激光的功率與強度在20世紀90年代所取得的這些進展使研究光與物質間相互作用――屬於“相對論光學”(relativistic optics)研究的範疇――居於統治地位。發生這類相互作用時光把電子加速到接近光速。在CPA技術問世之前,這類相互作用只有使用非常龐大和昂貴的激光系統才能實現。

  相對論光學

  光學是研究電子對光的反應。這一定義聽起來可能與許多人心目中的光學相距甚遠,例如光被鏡面反射或受到游泳池水的折射。但任何一種物質的光學特性都與光如何與該物質中的電子相互作用有關。

  光是耦合電磁場以極高頻率同步振盪時所形成的一種波。電場與磁場振盪的方向互相垂直,並且與光波行進的方向垂直。當電子與具有通常功率的光波相遇時,光波的電場便對電子施加一個作用力,使它振盪起來。電子的振盪方向與電場方向平行,振盪的頻率則與光波頻率相同,但它的振盪不一定與光波相同。電子的振盪可能落在光波後面,也可能超前,這要看電子是如何束縛在物質的原子上。反過來,電子振盪的幅度和相位也決定了光波如何在物質中傳播,從而決定了物質的光學特性。

  古典光學認為,電子的振盪幅度很小,因此電子的振盪速度與光速相比始終是非常小的。然而,隨著激光強度增加到每平方釐米10^18瓦以上,電子的振盪速度開始接近光速,此時相對論效應從根本上改變了電子對光的響應。

  首先,速度越高,電子的質量就越大,這使電子振盪的振幅和相位均受到影響。更重要的是,光波的磁場也開始發揮作用。只有當電荷在運動時,磁場才會對電荷產生作用力。在古典光學的範圍內,磁力可以忽略不計。但是當電子的振盪速度接近光速時,磁場就會使電子的運動路徑彎曲成螺旋形,並使電子在沿光束行進的方向上獲得巨大的動量。這一效應在相對論光學中起著核心作用。

  質子的質量幾乎為電子質量的2000倍,這樣它在與光波相遇時振幅也比電子小得多,因此光與原子核的相互作用通常可以忽略不計。但是當光的強度足夠高時,它也會使質子以相對論的速度運動。這時可能發生許多核反應過程(如聚變反應),因此我們不妨稱這研究領域為核光學(nuclear optics)。

  在1毫米之內從0加速到60MeV

  超強激光束所產生的具有相對論效應的力量最明顯的用途就是使粒子加速。帶電粒子加速器的用途不勝枚舉,從電視顯像管到癌症治療乃至研究宇宙的基本力等等,均可見到它的身影。所有這些加速器都有一個共同特點,即電子或質子之類的粒子是通過電場或磁場來加速的。古典光學範疇內的光波其電場強度可以達到閃電雷擊的電場強度,但這些電場本身並不能有效地加速粒子,因為它們是橫向振盪的。相較之下,超強度脈衝的情況則是當這樣的脈衝撞上等離子體(即電子和正離子組成的一種氣體)時,它就如我們上面所闡述的那樣把電子向前加速到接近光速。

  然而好戲還在後頭。等離子體中的正離子比電子重幾千倍,因此電子向前加速時就把正離子拋在了後面。正負電荷的分離產生出一個強大的電場,可用來加速其它的粒子。強電場區緊跟在光脈衝的後面,以波的形式穿越等離子體。帶電粒子在激光的尾波場中被加速達到很高的能量,就像海豚緊跟在輪船後面與船尾水波的波動節奏同步地遊動從而獲取能量一樣。這樣一種激光尾波場加速器的設想是當時在洛杉磯加利福尼亞大學的Toshiki Tajima和John M.Dawson於l979年首次提出來的。

  把光脈衝的振盪電場轉換為始終指向一個方向的尾波場的過程稱為整流(rectification),因為它的原理與電子器件中把交流電(AC)轉換為直流電(DC)的整流器相似。傳統的加速器,例如長達3公里的斯坦福直線加速器中心(SLAC),利用金屬空腔對無線電波整流,從而把帶電粒子沿著束流方向一腳接一腳地“踢”下去。(與光波一樣,無線電波也是電磁波,但其頻率比光波低得多,波長則要長得多)。斯坦福直線加速器必須有3公里長才能達到其預定的粒子能量,因為每一空腔的加速電場有限。使用波長更短、強度更大的射頻波,可以增強加速場,但是這兩方面的性質受到空腔本身的限製:空腔的大小限製了無線電波的波長,而無線電波強度過高則可能引起金屬空腔壁的電子擊穿(發火花)。激光尾波場加速器不使用空腔,因此可以避免這些問題。使用強度最高的光脈衝,粒子或許可以被直線加速,這時它的加速方式與光束產生相對論效應電子的過程是一樣的,無須靠等離子體來幫忙。

  過去幾年中,激光驅動的電子與質子加速器已產生出能量超過50兆電子伏(MeV)的粒子束。此能量與傳統加速器中的一級(幾米長)所達到的加速能量相等。但激光系統只需僅僅l毫米的長度就達到了此能量。

  利用高梯度場迅速實現加速具有若干優點。例如Umstadter(本文作者之一)演示了能量為幾兆電子伏的電子束,它的“亮度”(實際上就是束中粒子的集中度)超過了傳統加速器生成的粒子束的亮度,這主要是因為集中在一個粒子束脈衝中的電荷由於粒子加速較快而來不及通過其自身的靜電力作用使粒子束散開。此外,研究人員還證明,成本低廉的激光加速器和傳統加速器一樣有著廣泛的用途。例如生產醫療診斷用的短壽命放射性同位素以及生成材料研究用的中子和正電子束等。

  不過,激光系統所產生的粒子束其粒子能量分佈範圍比較寬,這對於某些應用場合是一個不利條件。此外,傳統的加速器通常把多個加速級串聯在一起,例如SLAC的3公里長的直線對撞機以及費米實驗室Tevatron加速器周長7公里的主環便是如此。當前激光加速系統研究工作的重點是縮小粒子束能量分佈範圍並實現多級加速以增加粒子束的能量。研究人員也在探索如何利用波導來延長尾波場使粒子持續加速的距離。

  高能研究前沿

  我們認為激光加速器不會取代高能粒子物理研究機構使用的傳統加速器(如Tevatron)。激光加速器只是補充並增強現有的加速系統,它們的特點使其適用於一些特殊的場合以及新型的實驗。加速不穩定粒子可能就屬於這樣一種情況。

  Tevatron加速器代表了現今高能物理研究的最前沿:它使質子以1萬億電子伏(TeV)的能量相對撞。繼TeVatron之後的下一代加速器是歐洲核子研究中心(CERN)的大型強子對撞機(LHC),它也以質子為加速對象。質子間的高能對撞是非常複雜和混亂的,因為質子由夸克和膠子一類強相互作用粒子構成。電子和正電子具有比質子更為基本的結構,因此它們的對撞所產生的結果比質子對撞要“乾淨”得多,這樣研究人員就可以對它進行更為詳細和精確的研究。但是加速電子和正電子會遇到一個問題:電子和正電子質量太輕,因此它們在延著環形加速器的彎曲段運動時,會損失很大一部分能量而變成所謂的“同步輻射”(Synchrotron―radiation)。

  解決這個問題的辦法之一是加速μ介子,μ介子的質量為電子質量的200倍,所以它的同步輻射損失的能量比電子低10億倍。遺憾的是μ介子是一類不穩定的粒子,平均兩微秒多一點就要衰變。雖然μ介子壽命極短,瞬息即逝,但高強度激光器可以在其壽命稍縱即消逝的極短瞬間就把μ介子加速到非常接近光速。此時相對論效應的時間膨脹將發揮作用,使μ介子的壽命與其所達到的能量正比地延長,這樣傳統的加速器就將有更多的時間接著對μ介子進行考察。對於π介子這樣壽命更短的粒子(π介子平均在26毫微秒內就會衰變)用激光對其迅速加速的好處將更為明顯。

  借助於超高能激光器而得以實現的另一類粒子物理實驗是伽瑪光子對撞(γ―γ collider)。伽瑪射線在電磁波譜上位於X射線以外,是極高頻光子。高能激光束與高能電子束碰撞時將產生一束狹窄的伽瑪射線。實質上就是激光的光子通過所謂的“康普頓散射”過程從電子上反射回來。伽瑪射線的能量主要取決於電子束的能量:能量為250千兆電子伏(GeV)的電子束可以使光子的能量從l電子伏(可見光)增加到200千兆電子伏。

  當兩束這樣的伽瑪射線相撞時,它們的相互作用比“電子一正電子”對撞或“介子一反介子”對撞還要幹淨。這樣一種碰撞過程與物質一反物質湮滅過程恰恰相反。湮滅過程是正反粒子合併在一起,變成一束輻射,而伽瑪射線的碰撞過程則是它們的光子在相撞後變為成對的粒子與反粒子。但是,只有使用超高強度的激光器,每一光脈衝內才有足夠數量的光子來產生相當多的伽瑪光子碰撞。1997年,美國羅徹斯特大學、普林斯頓大學、田納西大學及SLAC中心的研究人員演示了此系統的一個變種,即通過伽瑪射線與激光光子的相撞而產生出電子一正電子對。目前每一台直線粒子對撞機都計劃進行伽瑪光子對撞實驗,這類實驗對於通過一般的“電子一正電子”碰撞而完成的實驗研究起著取長補短、相輔相成的作用。

  癌症的診斷與治療

  激光驅動的帶電粒子加速器能產生具有高度穿透力的輻射(如X射線或粒子束),這樣的輻射也可以用於癌症的診斷與治療。當然,X射線在醫學診斷中充當重要角色已有百餘年的歷史。傳統的X射線管通過在陰極和陽極之間產生的一個電場對電子進行加速,電子在撞上陽極後就急劇減速,釋放出大量的X射線。X射線的解像度受到X射線源大小的限製(此處的X射線源就是陽極,其直徑通常為100微米)。傳統的X射線機能夠探查出的最小腫瘤直徑約為1毫米。

  超高強度激光器可以將激光直接聚焦於一個合適的金屬靶上以產生X射線。激光束將金屬表面附近的電子加速到高能量。這些電子在穿過金屬靶時就減速,同樣發射出大量的X射線。將激光聚焦於直徑只有幾毫米的點上,就得到一個極小的X射線源。它能探查到非常小的癌細胞群,這樣就可以在腫瘤發展的極早階段對其進行治療。原則上使用激光加速器可以達到1微米的解像度(1微米僅比驅動激光的波長大一點)。斯坦福大學、瑞典倫德大學以及加拿大魁北克國家科學研究院的研究小組已經演示了這樣的X射線系統。

  精確度對於放射治療而言非常重要。放射治療的目標是儘量把輻射集中在腫瘤上,同時儘量減少輻射對周圍健康組織的損傷。對人體敏感部位(如腦或脊椎)中的腫瘤進行治療時,能否把劑量可控的輻射投放在明確界定的極小區域上具有至關重要的意義。質子和碳離子之類的粒子特別適合承擔這樣的任務。與電子和光子不同,這些重粒子在成束以後的橫向散射非常微弱,因此可以始終保持狹窄的形狀。它們在其行進途中能量損失速率非常低,而且十分穩定,因此可以把其絕大部分的能量釋放在其路徑的終點。對於具有給定初始能量的重粒子,其能量的最終釋放發生在組織內的某一確定區域中。因此,在需要把一定劑量的輻射釋放到深層腫瘤上時,這類重粒子的精確度遠勝過電子與光子。

  使用質子和碳離子束的臨床試驗目前正在幾個國家展開。然而,廣泛利用粒子治療方法還存在許多障礙,其中之一就是傳統粒子加速器的造價太高。例如,日本千葉縣的醫用重離子加速器(heavy ionm edical acce―lerator)造價高達3億美元。它每年只能治療200名左右的癌症患者,用這種療法能夠挽救的患者人數寥寥無幾。目前激光驅動加速器所能達到的離子能量只占放療所需能量的五分之一,而且輻射面積過大。但是,如果這兩個問題能夠得到解決,癌症的離子放射療法成本就可以大大降低,而相應使用這種療法的患者人數也就增加了。

  超高強度激光脈衝的功率相當於全世界所有發電機的功率總和。將來這一關係可能會轉過來:這類激光器可能成為核聚變發電廠的基本組成部分,滿足全世界用電的部分需求。幾十年來,利用可控核聚變技術來發電一直是研究人員夢寐以求的目標,但令人失望的是這一目標始終遙不可及。近幾年中開始受到青睞的一種方法是慣性約束聚變(inertial-confinement fusion),即用數十乃至數個強激光脈衝從四面八方同時照射燃料丸(如氫的重同位素氘和氚的混合物)。激光將燃料丸壓縮到極高的密度川時將其加熱到極高的溫度,在這樣高的密度和溫度下,氘核和氚核將聚合起來而形成氦,並釋放出大的能量。勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的巨型Nova激光器就是為此目標的研究而配置的主要實驗設備。

  台式超高強度激光束所產生的總能量還不夠大,無法引起熱核聚變。但是如果與Nova級的激光器配合使用,它們就有可能大大提高可控核聚變的經濟與技術可行性。通過壓縮燃料丸來達到核聚變的點火條件要求內爆過程極其對稱。對稱性只要有哪怕極微小的一點欠缺,也會使整個過程完全失敗,無功而返。勞倫斯利弗莫爾實驗室的研究人員現在提出了一種新方法――大型激光器仍然承擔把燃料丸壓縮到高密度這一繁重任務,但不必同時使其達到完全的點火溫度。當燃料丸的密度接近其最大值時,一台小型的超高能量CPA激光器對一個超短離子脈衝加速,使之撞到內爆的燃料丸上。這一脈衝所起的作用類似於汽車發動機中火花塞的作用:脈衝在燃料丸上產生一個極其熾熱的點,它引起的聚變波瞬間就傳遍了整個燃料丸。這種方法將會減輕單靠內爆點燃聚變所提出的高難度技術要求,並且它也會大大提高聚變產生的能量與消耗的能量之比。

  英國牛津郡盧瑟福艾普爾頓實驗室以及日本大阪大學實驗室的研究人員不久前演示了快速點火技術的某些基本內容。但正如聚變研究史上提出的任何一種新方法一樣,此技術也需要再進行大量的後續研究才能證明它是否具備用於商業發電的實際價值。無論這一特定的用途是否會成為傳奇的素材,超高強度激光的發展前景必定引人入勝,絢麗多彩,遠遠超出阿基米德與Diocles最大膽的夢想。

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