科學大家|李儒新:羲和,中國自己的強激光

2022年04月26日09:00

  作者:李儒新

  出品:新浪科技 墨子沙龍

  作者簡介:中國科學院院士,中科院上海光機所研究員,光學專家,主要從事超高峰值功率超短脈衝激光與強場激光物理研究。現任中國光學學會副理事長、美國光學學會會士、國際超高強度激光委員會委員。

  內容來自墨子沙龍“激光器和加速器”活動(2021年9月)

  大家下午好,非常榮幸能夠來到墨子沙龍。我今天講關於“羲和”的故事。

  離我們所在的秀浦路99號(中科大上海研究院)東北大概八公里,有個張江高科技園區,在那裡你們可以看到“羲和“兩個字。羲和是《山海經》裡面的一個傳說形象,是十個太陽的母親,也是中國的太陽女神。《山海經》當中記載,羲和的職責是每天推著車,帶著十個太陽輪流上崗。有一天十個太陽不守規矩同時上來了,就被后羿給射了下來。由於羲和是十個太陽的母親,我們就用她的名字命名了目前全世界峰值功率最高的激光裝置。

  我今天講的題目是:強激光與加速器。強激光有多強?在相當於 秒、 秒(飛秒)量級那麼短的一刹那發出的光,其能量相當於全世界電網裡面同等時間尺度的能量的1000倍。這樣一台強大的激光可能會給我們的很多科學研究帶來新的機遇,特別是可能給加速器帶來新的發展機遇。

  今天在這裏講強激光與加速器還是很有意義的。在我們的東北八公里左右,是最強的“羲和”激光,再往北,過川楊河就到達了張衡路。張衡路是以我們偉大的科學家的名字命名的,張衡路上有一台我們國家從12年前就建設的同步輻射裝置,是一個30億電子伏特的電子加速器。離我們這再往東大概七公里有複旦大學上海質子重離子醫院,有一台質子重離子的加速器。上海光源是加速電子,質子重離子加速器加速的是質子和碳離子。往西邊走跨過市中心到達嘉定區,那裡有我們國家、也是目前為止全世界規模最大的幾台激光裝置之一——“神光二號”裝置。離它不遠的瑞金醫院北院有我們國內科學家自己研製的首台質子治療裝置。所以從我們這兒出發,一個小時以內我們可以到達很多重要的激光裝置和加速器。

  強激光跟加速器有很大的科學價值和社會價值。這裏我就不非常詳細地去講它的歷史,僅僅簡要回顧一下。激光技術,加速器技術,這兩者的發展都起源於20世紀。當然加速器要早一點,因為加速器相對來說原理更加簡單:在電場當中的帶電粒子會受到電場力的作用從而獲得速度和能量。剛才我們提到的上海光源電子加速器,能量指標是30億電子伏特,相當於使電子獲得了30億電子伏特的能量。加速器的技術門檻還是比較低的,隨著電壓的提高,就可以讓帶電粒子逐步地獲得更高的能量。但這一點也不是那麼容易的。當電壓很高時,我們就很難進一步增加電壓了。生活中我們能夠接觸到的電壓通常為幾百伏,幾十億伏的電壓是很難想像的,當然會遇到很大的挑戰。

  激光技術門檻較高,而我們常見的燈光是沒有相乾性的。公元前400年,墨子通過科學實驗論證了光是沿直線傳播的。什麼樣的光源可以傳到很遠的地方還不會散開呢?我們常見的手電筒,在很近的距離就會散開。而激光具有非常好的方向性,哪怕只產生很弱的激光,都需要很高的門檻,這也使得激光的發明比加速器要晚。雖然也經過幾十年的發展,但相對而言,激光領域還是一個年輕的領域。

  我們國家在長春製造了我國的第一台激光器,是1961年中國科學院的光學精密機械研究所(“光機所”)製造的。上海光機所,就是長春光機所發展了第一台激光器之後到上海來建立的機構。回顧加速器和激光的歷史會看到,兩者一開始沒有很緊密的關係,但現在已經形成了相互促進、共同發展的新局面。

  激光器和加速器

  我給大家講一講這裡面的故事。

  現在我們先回到加速器。剛剛講到,加速電子需要高壓電場,當電壓升高之後,如果加速器很小(電場強度大),介質(比如空氣,再比如實驗室中的假真空)就很容易被擊穿。因此要把電子加速到很高的能量,需要造很大的加速器,後來勞倫斯又提出了能夠轉圈的迴旋加速器,一定程度上減小了加速器的尺寸。剛剛提到的上海光源就是通過環形的加速器來加速電子的。

  現在世界上最大的環形加速器LHC在歐洲核子研究組織(CERN),周長27公里。在這個裝置上也獲得了很多極其重要的科學成果,比如找到了“上帝粒子“——希格斯玻色子,它是粒子物理標準模型的一塊很重要的基石。

  中國的第一台激光器是王之江老師1961年在長春做的。它與美國的第一台激光裝置有差別。雖然他們利用的方法有所不同,但基本原理類似。中國的這一台裝置在原理設計上面能夠提供更高的效率。

  我們今天的激光器發展到了什麼樣的程度呢?如下圖所示。其中右列的第五個裝置就是我們的“羲和”裝置。

  1960年第一台激光器發明之後,它的功率是瓦級,甚至沒有達到我們日常照明燈光的功率。而現在我們達到了十個拍瓦(萬萬億瓦)。當然,歐洲、美國、英國的國際同行也在建設一些類似的裝置,大家都在朝著更高的峰值功率這個目標邁進。

  激光裝置相對加速器而言,體積小一些,它的能量密度更高,可以在更小的時間、空間把能量提高到更高的量級。如果兩種技術相結合的話,就有可能把幾十公里大的加速器做得比較小巧,當然這是未來的一個目標。

  我們可以在地圖上看到,除了激光、加速器以外,還有一些結合兩者優勢的裝置都在我們的附近。

  上海光源通過轉圈的方式把電子加速到30億的電子伏特;已經建成的“羲和一號”達到了萬萬億瓦的峰值功率。我們正在建結合激光和加速器的一個裝置,就是圖中紅顏色的部分。這個裝置可以讓電子在1.4公里的長度內達到80億電子伏特,然後讓它發出光。

  未來我們的“羲和二號”比目前的“羲和”性能高十倍,功率能跟100個太陽相比。“羲和二號”裝置在圖中也可以看到。未來兩個光源的相互作用能夠提供科學發現的機會。“羲和”這樣一個裝置可以提供前所未有的極高的能量密度。這麼短的時間空間窗口裡面,它創造的電場強度、磁場強度還有光的壓力等物理條件都是其他手段所不能提供的。因此,它帶來了很多基礎研究、科學發現的機遇。

  現在“羲和一號”已經建成了,今年(指2021年)就開始對外開放,有很多好想法的科學家就可以利用這個裝置來做實驗。

  激光器、加速器強強聯合

  現在我們來講一講加速器和激光兩個領域的關係。一個足夠強的激光器會給我們加速器帶來什麼發展機遇?基於高功率激光的高能粒子加速器是不是可行的?

  剛才已經提到,我們傳統的加速器利用電場加速帶電粒子。為了讓粒子獲得大的動能的同時避免介質擊穿的問題,就必須拉開長度,一級一級慢慢地加速帶電粒子。而用激光加速粒子卻不用擔心介質擊穿,因為激光擁有這麼高的電場強度,它的介質本身就不是空氣而是一種等離子體。它本身就是電離的,所以它不怕電離,可以承受很高的電場強度。理論上,激光能夠把加速器的尺寸縮小3個數量級。這是一個很大的技術進步。當然,還需要把激光做得更加穩定可靠,還需要進一步的發展。

  激光加速概念最早是科學家T。 Tajima跟他的老師J。 M。 Dawson於1979年在加州大學洛杉磯分校提出的。

  激光驅動等離子體尾波場加速這個想法誕生以後,那時還沒有那麼強的激光器。直到大概 1985年,激光領域才誕生新方法來產生所需要的這麼強的激光。

  一個想法誕生以後,往往需要長時間的優化和技術積累才能夠變成現實。2018年諾貝爾物理學獎的獲獎者穆魯(Gerard Mourou)和斯特里克蘭(Donna Strickland)在1985年提出了一種方法,這種方法能夠非常巧妙地去解決產生強激光時材料的破壞問題。因此這一突破使得激光的功率很快速提升。但是即使是這麼好的想法,也經過了將近20年的發展,才真正的用於製造超強激光裝置。

  2004年,由於激光器技術成熟了,1979年的想法才得以實現。用激光做加速器的想法第一次非常完美的實現是在2004年,當時英國、法國、美國的三家實驗室在同一時間共同的宣佈利用激光獲得一個很小型化的加速器。這一成果實現了我們25年前提出的那個夢想,這是非常偉大的事件。它被稱為“夢之束”。

  這個首秀得到電子能量還不夠,大約只把電子加速到了 (一億)電子伏特的能量,而我們上海光源能把電子加速到十億電子伏特,因此這個技術還有很大的成長空間。但之後的發展就非常迅猛了,很快從一億到達十億,這一步跨越只花了兩年時間。

  2006年第一次實現了達到十億量級的電子加速器。能量指標雖然達到了,但很多其他的性能跟我們傳統加速器還是沒法比,而解決這些問題花的時間就長得多,直到現在還沒有完全做到。我們希望造出一個能量高、尺寸小、其他性能也能夠同傳統的加速器相比的激光加速器。為了實現這一目標,包括中美在內,全世界的很多團隊在努力。大家都想解決這個問題,都在賽跑,基本上也是同一時刻提出了一個新的方法來解決激光加速器獲得的電子束的品質不夠高的問題。

  大家從圖中可以看到,從2004年的突破、2006年到達十億電子伏特之後,能量提升就很睏難了,經過了非常漫長的發展過程才遇到了第二個上升的台階,實現能量和其他性能的共同提高。現在,激光加速器在可遇見的未來真的是可以做一些更加宏偉的科學探索了。如果用傳統辦法做一個 電子伏特的一個加速器,需要繞地球赤道一圈。現在有了激光加速器,可以把它縮小1000倍,變成可以實現的事情。

  反過來,由於加速器的快速發展,也給激光領域帶來了很多前所未有的新發展。最典型的例子就是短波長激光。大家知道拍胸片的X光波長是納米量級,我們是不是能夠產生這麼短波長的激光呢?圍繞這個目標,全世界科學家經過了長期探索,但是一直沒有找到一個最佳的解決方案。但直線加速器的快速發展,它使電子束流的品質可以非常好,在單位時間單位體積裡面,同樣的能量的電子數很多。基於這樣的原理,國際上,美國斯坦福、日本的理化所、德國漢堡,先後做了三台波長約0.1納米的激光器。這是基於加速器做出來的,至今為止,加速器是產生短波長激光最佳的手段。

  現在在我們的張江科學城就有加速器光源,又有激光光源,實現了從長波長到短波長全面覆蓋,從而實現很全面的科學探索,這要歸功於我們的加速器。一直以來,我們希望通過激光器縮小加速器的體積,又通過加速器產生品質性能很好的激光,因此我們想要做出一個小體積、高性能的短波長激光器。在去年(本報告演講時間為2021年9月),我們把它做出來了:基於激光加速器的X射線自由電子激光。

  它通過激光裝置加速電子,把加速器小型化了。目前我們讓設備的體積小了20倍,還沒有實現三個數量級的小型化。這是第一次用了激光加速器的電子去產生激光,驗證了它的原理。像所有科學技術發展一樣,原理的突破到未來真正的應用還有一個很長的曆程。我們想要的不僅僅是尺寸的小型化,還希望其他性能的提高。特別是,要實現更短的伽馬射線激光,加速器和激光器缺一不可。基於激光和粒子的相互作用,我們就有希望產生伽馬射線激光。

  要產生兆電子伏特的光子也就是伽馬射線光子,需要電子束跟激光束相互的作用。基於相同的原理,更低的電子能量(毫電子伏特)也是很熱鬧的一個研究領域,叫太赫茲。也同樣,它的最佳手段也是把兩者來進行相互作用。所以,高能量和低能量區域都離不開這兩個手段的結合。

  清華大學的科學家提出來,這一技術未來可以做一個車載、總長12米的伽馬射線激光源(緊湊型準單能伽馬源VIGAS)。

  伽馬光子的能量比醫用的X光子的能量要高上100倍,並且還有很高的通量。

  沒有加速器和激光的配合,我們無法在這樣的體積內把儀器做到這一性能。它可以用來檢測我們一些大型的機器內部的缺陷。同時,這一技術引導我們走向第五代光源。

  我們上海光源是第三代光源,北京同步輻射是第一代同步輻射光源,合肥同步光源是第二代,現在北京和合肥正在建設第四代光源。基於激光和電子的相互的作用能夠提出一個更完美的解決方案,稱為第五代光源。這是大家寄予厚望的一個未來發展的方向。

  第五代光源跟現在光源相比有很多優勢,比如作為激光,它具有很好的相乾性的同時又有非常好的穩定性,因為它可以長期把電子儲存在環裡面,相當於結合了第四代的光源和自由電子激光的優點。

  光源真的很有用

  上面提到的是我們新技術能夠產生的新的高性能設備,有了這樣的設備之後我們就能夠實現各種各樣的科學目標。自上海光源2009年建成以來,已經有三萬多名科學家利用它做出了很多非常重要的科學發現。

  最新、最重要的一個例子就是2020年初新冠疫情爆發以後,上海光源得到了全世界第一組COVID-19的結構數據。有了它的蛋白三維結構之後,就可以去進行藥物的篩選。研發全新的藥物要經曆很長的週期,我們可以在已有的藥物篩選,將它的分子結構去跟新冠的病毒的主蛋白酶的結構做分析,看看能否找到靶點。

  光源給物理學家、化學家、材料科學家、生命科學家、藥物學家提供了超級顯微鏡。光源的建造就是為了向科學目標服務。

  如此強大的激光設備能夠創造如此極端的能量條件,讓我們有可能去理解一些基本的物理學的問題。

  XFEL與100PW超強超短激光相結合,可提供探索強場QED真空、QED等離子體等重大基礎科學問題的條件,將XFEL的科學探索領域向下突破到原子核、真空體系,向上拓展到天體物理與宇宙學。科學發現機會顯著增加。

  《科學》雜誌曾提出一個所謂“125個科學問題”,其中有一個問題就是:激光最強能夠有多強?可能我們的觀眾也想問,我們建了羲和一號、羲和二號,從十個太陽變成一百個太陽,難道以後還要建一千個太陽這樣的裝置嗎?激光的強度有沒有極限?答案是:有的。原因就來自量子場論認為真空並不是空的。量子場論的觀點認為,真空是一片粒子的海洋,不斷有正反粒子對產生和湮滅。這個現像在之前並沒有實驗去驗證過。一個月前(本報告演講時間為2021年9月)在美國的布魯克海文實驗室,科學家們用重離子加速器把金離子加速到兩千億個電子伏特,然後讓兩個金核對撞,並且故意讓它偏一點使得原子核之間無法撞到。但是金原子核周圍有非常強的電磁場。電磁場可以等效為光子雲,然後他們使得光子雲對撞,結果發現產生了正負電子對。這一實驗是利用沒有靜止質量的光子(能量)產生了有靜止質量的物質。其實愛因斯坦的質能方程是預言過這一結果,因為 。能量( )在左邊,光速的平方 在右邊,由於光速很大,所以質量變成能量比較容易,比如核能,但反之則很睏難。需要巨大的能量才能創造很小的質量。因此直到一個月前布魯克海文實驗室才宣佈首次在實驗中實現能量轉化為物質。但是這個實驗沒有實現真正的光子對撞,而是所謂虛光子的對撞。

  而我們當初設計“羲和二號”的時候就想回答這個問題,是不是當激光足夠強的時候,就會產生質量。但是實驗裝置如此龐大,導致我們要花七年時間,自2018年動工要到2025年才能建成。早在2017年,CERN已經得到過類似的結果,但最近布魯克海文實驗室的實驗更加有說服力。這更加堅定了我們的信心:這個方向看來是正確的,也許還有一些規律不為我們所知。

  如果是光強到一定程度就開始產生有質量的粒子,那麼光能量就達到了上限。我們想知道這個上限到底是多少?這個實驗的理論依據來自量子電動力學,理論預言很強的電磁場會使得真空具有雙折射的能力。雙折射現像在生活中早就得到了很多應用,例如看3D電影用的眼鏡。

  論文報導了對一個外號為“七劍客 (Magnificent Seven)”的中子星的可見光觀測,發現偏振度大約為16%的線性極化現象, 聲稱第一次發現了量子電動力學預言的真空雙折射現象:在強磁下的作用下,真空會表現得像雙折射晶體一樣,使得光子的偏振在傳播過程中產生改變。

  2017年的時候,天文學家通過望遠鏡觀測發現,到達地球的中子星發出的光不是各向同性的。這與大家之前的推測不一致。而量子電動力學可以解釋這個現象:中子星周圍有很強的磁場,光在磁場中發生了雙折射,因此失去了各向同性。而我們當時就想用我們的“羲和二號”在實驗上把這些物理過程搞清楚。

  那麼“羲和二號”能不能到達我們光強的極限?施溫格是量子電動力學的另一位奠基者,他提出了施溫格電場的極限:在 (瓦特/平方米)這麼強的電磁場中,真空就會產生雙折射。但是“羲和二號”只能夠達到 到 (瓦特/平方米)量級。所以當時我們就提出了一個非常巧妙的設計:把“羲和”一號和二號的光作用在一起。

  根據當時理論計算,“羲和二號”可以對真空造成微弱的影響。它雖然離 (瓦特/平方米)還差了一萬倍,但是由於一些漲落的效應,還是可以對真空有所影響。測量如此微弱的效應也十分困難。但因為我們有0.1納米波長的激光,比常規的微米激光波長小了四個量級。而我們測量的靈敏度跟波長的平方反比,意味著波長小一萬倍,我的靈敏度就會提高一億倍,這才讓測量如此微弱的效應成為可能。整體思路也就是用“羲和二號”的光來誘導真空微弱的雙折射,然後使用基於加速器的納米波激光——非常靈敏的探針把它測出來。虛光子的實驗已有,希望我們實光子的實驗能夠獲得更多有意思的結果。

  這是我們實驗裝置的設計圖。這是在真空室當中,很粗的紅色光柱就是激光,我們要把它聚焦到五微米左右來誘導真空的雙折射。如果這一現象發生了,水平方向的加速器納米激光光源就能夠把它測出來。這將來會是一個地標性的建築,很漂亮,就在羅山路立交橋的東北角,但需要等到2025年左右才能實現。

  “羲和二號”是否是強激光的極限?

  如果“羲和二號”已經能看到微弱的真空雙折射,是不是我們就到達了激光強度的極限?雖然距離施溫格給出的上限還差一萬倍,以後我們是否還做更大的激光器?我們一直也在問自己這個問題。最近的理論研究發現,基本上可以認為“羲和二號”已經達到了人類的光強的極限了。因為實際上我們實驗室當中能夠實現的真空並不完美。激光傳播、經過反射鏡反射,然後聚焦的過程都會使得材料被電離,因此我們根本做不到完美的沒有粒子的真空。哪怕在最佳的真空的條件下,如此大的能量,哪怕是少量的粒子都會導致雪崩效應。所以做更大的激光器其實沒有必要了,但可以提高激光器的輸出頻率和持續輸出能力。

  “羲和二號”由於它能量很大,現在的技術只能夠讓它大概兩個小時發出一次激光。未來或許可以進一步提高它的重複頻率,就可以測更多的現象。但結論還是,我們基本上接近找到了人類可以產生光強的極限。

  未來展望

  但是今年科學家們在西藏測量到了宇宙中到達地球的PeV( 電子伏特)高能光子。我們想知道宇宙中的什麼加速器能夠讓光子達到這個能量。激光器已經無法達到這樣能量的光子了,還是要靠光和帶電的粒子的相互作用。在相對論框架下面,帶電粒子與光的相互作用能夠把等效的光強呈數量級的提升。這樣的技術進一步能深入我們人類對更高的光強下的物理的認知。

  同時能量轉化為質量的過程,這與宇宙的起源相關的一些問題是分不開的。比如宇宙早期正反物質同時被產生,然後湮滅。但今天我們找不到反物質,是什麼機制導致了這樣的不對稱?而我們的實驗是一個光子,它會轉化為正電子跟負電子,因此就提供了一個很好的實驗平台來研究同等數量的正反物質的湮滅過程。在真空中,正反物質產生湮滅的時間窗口是 秒,我們把它叫仄秒。所以我們探測手段要跟得上,能夠去測這麼快發生的變化,這也會推動我們整個超快科學的發展。

  如果我們將來能很好地掌握反物質,也許我們可以把它作為一個能量的來源。霍金當年有一個很好的設想:利用正反物質湮滅產生的能量作為星際航行的燃料。我們設想也許未來我們可以通過激光實現一個反物質的發生器,當然這都是在我們對反物質的認識有進一步深入理解之後。

  演講者:李儒新

  文字整理:馬瀟漢;審讀:王佳

  排版:John

  本文轉自“墨子沙龍”微信公眾號

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