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李儒新:羲和,中国自己的强激光

2022-04-26 10:32:51 新浪科技
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追光逐梦:李儒新院士带你走进激光——纪念激光诞生60周年

中科院院士李儒新:年轻人要好好地去做一个有意义的事情

作者:李儒新

出品:新浪科技 墨子沙龙

作者简介:中国科学院院士,中科院上海光机所研究员,光学专家,主要从事超高峰值功率超短脉冲激光与强场激光物理研究。现任中国光学学会副理事长、美国光学学会会士、国际超高强度激光委员会委员。

内容来自墨子沙龙“激光器和加速器”活动(2021年9月)

《山海经》当中记载,羲和的职责是每天推着车,带着十个太阳轮流上岗。有一天十个太阳不守规矩同时上来了,就被后羿给射了下来。由于羲和是十个太阳的母亲,我们就用她的名字命名了目前全世界峰值功率最高的激光装置。

我今天讲的题目是:强激光与加速器。强激光有多强?在相当于  秒、  秒(飞秒)量级那么短的一刹那发出的光,其能量相当于全世界电网里面同等时间尺度的能量的1000倍。这样一台强大的激光可能会给我们的很多科学研究带来新的机遇,特别是可能给加速器带来新的发展机遇。

今天在这里讲强激光与加速器还是很有意义的。在我们的东北八公里左右,是最强的“羲和”激光,再往北,过川杨河就到达了张衡路。张衡路是以我们伟大的科学家的名字命名的,张衡路上有一台我们国家从12年前就建设的同步辐射装置,是一个30亿电子伏特的电子加速器。离我们这再往东大概七公里有复旦大学上海质子重离子医院,有一台质子重离子的加速器。上海光源是加速电子,质子重离子加速器加速的是质子和碳离子。往西边走跨过市中心到达嘉定区,那里有我们国家、也是目前为止全世界规模最大的几台激光装置之一——“神光二号”装置。离它不远的瑞金医院北院有我们国内科学家自己研制的首台质子治疗装置。所以从我们这儿出发,一个小时以内我们可以到达很多重要的激光装置和加速器。

强激光跟加速器有很大的科学价值和社会价值。这里我就不非常详细地去讲它的历史,仅仅简要回顾一下。激光技术,加速器技术,这两者的发展都起源于20世纪。当然加速器要早一点,因为加速器相对来说原理更加简单:在电场当中的带电粒子会受到电场力的作用从而获得速度和能量。刚才我们提到的上海光源电子加速器,能量指标是30亿电子伏特,相当于使电子获得了30亿电子伏特的能量。加速器的技术门槛还是比较低的,随着电压的提高,就可以让带电粒子逐步地获得更高的能量。但这一点也不是那么容易的。当电压很高时,我们就很难进一步增加电压了。生活中我们能够接触到的电压通常为几百伏,几十亿伏的电压是很难想象的,当然会遇到很大的挑战。

激光技术门槛较高,而我们常见的灯光是没有相干性的。公元前400年,墨子通过科学实验论证了光是沿直线传播的。什么样的光源可以传到很远的地方还不会散开呢?我们常见的手电筒,在很近的距离就会散开。而激光具有非常好的方向性,哪怕只产生很弱的激光,都需要很高的门槛,这也使得激光的发明比加速器要晚。虽然也经过几十年的发展,但相对而言,激光领域还是一个年轻的领域。

我们国家在长春制造了我国的第一台激光器,是1961年中国科学院的光学精密机械研究所(“光机所”)制造的。上海光机所,就是长春光机所发展了第一台激光器之后到上海来建立的机构。回顾加速器和激光的历史会看到,两者一开始没有很紧密的关系,但现在已经形成了相互促进、共同发展的新局面。

激光器和加速器

我给大家讲一讲这里面的故事。

现在我们先回到加速器。刚刚讲到,加速电子需要高压电场,当电压升高之后,如果加速器很小(电场强度大),介质(比如空气,再比如实验室中的假真空)就很容易被击穿。因此要把电子加速到很高的能量,需要造很大的加速器,后来劳伦斯又提出了能够转圈的回旋加速器,一定程度上减小了加速器的尺寸。刚刚提到的上海光源就是通过环形的加速器来加速电子的。

现在世界上最大的环形加速器LHC在欧洲核子研究组织(CERN),周长27公里。在这个装置上也获得了很多极其重要的科学成果,比如找到了“上帝粒子“——希格斯玻色子,它是粒子物理标准模型的一块很重要的基石。

中国的第一台激光器是王之江老师1961年在长春做的。它与美国的第一台激光装置有差别。虽然他们利用的方法有所不同,但基本原理类似。中国的这一台装置在原理设计上面能够提供更高的效率。

我们今天的激光器发展到了什么样的程度呢?如下图所示。其中右列的第五个装置就是我们的“羲和”装置。

1960年第一台激光器发明之后,它的功率是瓦级,甚至没有达到我们日常照明灯光的功率。而现在我们达到了十个拍瓦(万万亿瓦)。当然,欧洲、美国、英国的国际同行也在建设一些类似的装置,大家都在朝着更高的峰值功率这个目标迈进。

激光装置相对加速器而言,体积小一些,它的能量密度更高,可以在更小的时间、空间把能量提高到更高的量级。如果两种技术相结合的话,就有可能把几十公里大的加速器做得比较小巧,当然这是未来的一个目标。

我们可以在地图上看到,除了激光、加速器以外,还有一些结合两者优势的装置都在我们的附近。

上海光源通过转圈的方式把电子加速到30亿的电子伏特;已经建成的“羲和一号”达到了万万亿瓦的峰值功率。我们正在建结合激光和加速器的一个装置,就是图中红颜色的部分。这个装置可以让电子在1.4公里的长度内达到80亿电子伏特,然后让它发出光。

未来我们的“羲和二号”比目前的“羲和”性能高十倍,功率能跟100个太阳相比。“羲和二号”装置在图中也可以看到。未来两个光源的相互作用能够提供科学发现的机会。“羲和”这样一个装置可以提供前所未有的极高的能量密度。这么短的时间空间窗口里面,它创造的电场强度、磁场强度还有光的压力等物理条件都是其他手段所不能提供的。因此,它带来了很多基础研究、科学发现的机遇。

现在“羲和一号”已经建成了,今年(指2021年)就开始对外开放,有很多好想法的科学家就可以利用这个装置来做实验。

激光器、加速器强强联合

现在我们来讲一讲加速器和激光两个领域的关系。一个足够强的激光器会给我们加速器带来什么发展机遇?基于高功率激光的高能粒子加速器是不是可行的?

刚才已经提到,我们传统的加速器利用电场加速带电粒子。为了让粒子获得大的动能的同时避免介质击穿的问题,就必须拉开长度,一级一级慢慢地加速带电粒子。而用激光加速粒子却不用担心介质击穿,因为激光拥有这么高的电场强度,它的介质本身就不是空气而是一种等离子体。它本身就是电离的,所以它不怕电离,可以承受很高的电场强度。理论上,激光能够把加速器的尺寸缩小3个数量级。这是一个很大的技术进步。当然,还需要把激光做得更加稳定可靠,还需要进一步的发展。

激光加速概念最早是科学家T。 Tajima跟他的老师J。 M。 Dawson于1979年在加州大学洛杉矶分校提出的。

激光驱动等离子体尾波场加速这个想法诞生以后,那时还没有那么强的激光器。直到大概 1985年,激光领域才诞生新方法来产生所需要的这么强的激光。

一个想法诞生以后,往往需要长时间的优化和技术积累才能够变成现实。2018年诺贝尔物理学奖的获奖者穆鲁(Gerard Mourou)和斯特里克兰(Donna Strickland)在1985年提出了一种方法,这种方法能够非常巧妙地去解决产生强激光时材料的破坏问题。因此这一突破使得激光的功率很快速提升。但是即使是这么好的想法,也经过了将近20年的发展,才真正的用于制造超强激光装置。

2004年,由于激光器技术成熟了,1979年的想法才得以实现。用激光做加速器的想法第一次非常完美的实现是在2004年,当时英国、法国、美国的三家实验室在同一时间共同的宣布利用激光获得一个很小型化的加速器。这一成果实现了我们25年前提出的那个梦想,这是非常伟大的事件。它被称为“梦之束”。

这个首秀得到电子能量还不够,大约只把电子加速到了  (一亿)电子伏特的能量,而我们上海光源能把电子加速到十亿电子伏特,因此这个技术还有很大的成长空间。但之后的发展就非常迅猛了,很快从一亿到达十亿,这一步跨越只花了两年时间。

2006年第一次实现了达到十亿量级的电子加速器。能量指标虽然达到了,但很多其他的性能跟我们传统加速器还是没法比,而解决这些问题花的时间就长得多,直到现在还没有完全做到。我们希望造出一个能量高、尺寸小、其他性能也能够同传统的加速器相比的激光加速器。为了实现这一目标,包括中美在内,全世界的很多团队在努力。大家都想解决这个问题,都在赛跑,基本上也是同一时刻提出了一个新的方法来解决激光加速器获得的电子束的品质不够高的问题。

大家从图中可以看到,从2004年的突破、2006年到达十亿电子伏特之后,能量提升就很困难了,经过了非常漫长的发展过程才遇到了第二个上升的台阶,实现能量和其他性能的共同提高。现在,激光加速器在可遇见的未来真的是可以做一些更加宏伟的科学探索了。如果用传统办法做一个  电子伏特的一个加速器,需要绕地球赤道一圈。现在有了激光加速器,可以把它缩小1000倍,变成可以实现的事情。

反过来,由于加速器的快速发展,也给激光领域带来了很多前所未有的新发展。最典型的例子就是短波长激光。大家知道拍胸片的X光波长是纳米量级,我们是不是能够产生这么短波长的激光呢?围绕这个目标,全世界科学家经过了长期探索,但是一直没有找到一个最佳的解决方案。但直线加速器的快速发展,它使电子束流的品质可以非常好,在单位时间单位体积里面,同样的能量的电子数很多。基于这样的原理,国际上,美国斯坦福、日本的理化所、德国汉堡,先后做了三台波长约0.1纳米的激光器。这是基于加速器做出来的,至今为止,加速器是产生短波长激光最佳的手段。

现在在我们的张江科学城就有加速器光源,又有激光光源,实现了从长波长到短波长全面覆盖,从而实现很全面的科学探索,这要归功于我们的加速器。一直以来,我们希望通过激光器缩小加速器的体积,又通过加速器产生品质性能很好的激光,因此我们想要做出一个小体积、高性能的短波长激光器。在去年(本报告演讲时间为2021年9月),我们把它做出来了:基于激光加速器的X射线自由电子激光。

它通过激光装置加速电子,把加速器小型化了。目前我们让设备的体积小了20倍,还没有实现三个数量级的小型化。这是第一次用了激光加速器的电子去产生激光,验证了它的原理。像所有科学技术发展一样,原理的突破到未来真正的应用还有一个很长的历程。我们想要的不仅仅是尺寸的小型化,还希望其他性能的提高。特别是,要实现更短的伽马射线激光,加速器和激光器缺一不可。基于激光和粒子的相互作用,我们就有希望产生伽马射线激光。

要产生兆电子伏特的光子也就是伽马射线光子,需要电子束跟激光束相互的作用。基于相同的原理,更低的电子能量(毫电子伏特)也是很热闹的一个研究领域,叫太赫兹。也同样,它的最佳手段也是把两者来进行相互作用。所以,高能量和低能量区域都离不开这两个手段的结合。

清华大学的科学家提出来,这一技术未来可以做一个车载、总长12米的伽马射线激光源(紧凑型准单能伽马源VIGAS)。

伽马光子的能量比医用的X光子的能量要高上100倍,并且还有很高的通量。

没有加速器和激光的配合,我们无法在这样的体积内把仪器做到这一性能。它可以用来检测我们一些大型的机器内部的缺陷。同时,这一技术引导我们走向第五代光源。

我们上海光源是第三代光源,北京同步辐射是第一代同步辐射光源,合肥同步光源是第二代,现在北京和合肥正在建设第四代光源。基于激光和电子的相互的作用能够提出一个更完美的解决方案,称为第五代光源。这是大家寄予厚望的一个未来发展的方向。

第五代光源跟现在光源相比有很多优势,比如作为激光,它具有很好的相干性的同时又有非常好的稳定性,因为它可以长期把电子储存在环里面,相当于结合了第四代的光源和自由电子激光的优点。

光源真的很有用

上面提到的是我们新技术能够产生的新的高性能设备,有了这样的设备之后我们就能够实现各种各样的科学目标。自上海光源2009年建成以来,已经有三万多名科学家利用它做出了很多非常重要的科学发现。

最新、最重要的一个例子就是2020年初新冠疫情爆发以后,上海光源得到了全世界第一组COVID-19的结构数据。有了它的蛋白三维结构之后,就可以去进行药物的筛选。研发全新的药物要经历很长的周期,我们可以在已有的药物筛选,将它的分子结构去跟新冠的病毒的主蛋白酶的结构做分析,看看能否找到靶点。

光源给物理学家、化学家、材料科学家、生命科学家、药物学家提供了超级显微镜。光源的建造就是为了向科学目标服务。

如此强大的激光设备能够创造如此极端的能量条件,让我们有可能去理解一些基本的物理学的问题。

XFEL与100PW超强超短激光相结合,可提供探索强场QED真空、QED等离子体等重大基础科学问题的条件,将XFEL的科学探索领域向下突破到原子核、真空体系,向上拓展到天体物理与宇宙学。科学发现机会显著增加。

《科学》杂志曾提出一个所谓“125个科学问题”,其中有一个问题就是:激光最强能够有多强?可能我们的观众也想问,我们建了羲和一号、羲和二号,从十个太阳变成一百个太阳,难道以后还要建一千个太阳这样的装置吗?激光的强度有没有极限?答案是:有的。原因就来自量子场论认为真空并不是空的。量子场论的观点认为,真空是一片粒子的海洋,不断有正反粒子对产生和湮灭。这个现象在之前并没有实验去验证过。一个月前(本报告演讲时间为2021年9月)在美国的布鲁克海文实验室,科学家们用重离子加速器把金离子加速到两千亿个电子伏特,然后让两个金核对撞,并且故意让它偏一点使得原子核之间无法撞到。但是金原子核周围有非常强的电磁场。电磁场可以等效为光子云,然后他们使得光子云对撞,结果发现产生了正负电子对。这一实验是利用没有静止质量的光子(能量)产生了有静止质量的物质。其实爱因斯坦的质能方程是预言过这一结果,因为  。能量(  )在左边,光速的平方  在右边,由于光速很大,所以质量变成能量比较容易,比如核能,但反之则很困难。需要巨大的能量才能创造很小的质量。因此直到一个月前布鲁克海文实验室才宣布首次在实验中实现能量转化为物质。但是这个实验没有实现真正的光子对撞,而是所谓虚光子的对撞。

而我们当初设计“羲和二号”的时候就想回答这个问题,是不是当激光足够强的时候,就会产生质量。但是实验装置如此庞大,导致我们要花七年时间,自2018年动工要到2025年才能建成。早在2017年,CERN已经得到过类似的结果,但最近布鲁克海文实验室的实验更加有说服力。这更加坚定了我们的信心:这个方向看来是正确的,也许还有一些规律不为我们所知。

如果是光强到一定程度就开始产生有质量的粒子,那么光能量就达到了上限。我们想知道这个上限到底是多少?这个实验的理论依据来自量子电动力学,理论预言很强的电磁场会使得真空具有双折射的能力。双折射现象在生活中早就得到了很多应用,例如看3D电影用的眼镜。

论文报道了对一个外号为“七剑客 (Magnificent Seven)”的中子星的可见光观测,发现偏振度大约为16%的线性极化现象, 声称第一次发现了量子电动力学预言的真空双折射现象:在强磁下的作用下,真空会表现得像双折射晶体一样,使得光子的偏振在传播过程中产生改变。

2017年的时候,天文学家通过望远镜观测发现,到达地球的中子星发出的光不是各向同性的。这与大家之前的推测不一致。而量子电动力学可以解释这个现象:中子星周围有很强的磁场,光在磁场中发生了双折射,因此失去了各向同性。而我们当时就想用我们的“羲和二号”在实验上把这些物理过程搞清楚。

那么“羲和二号”能不能到达我们光强的极限?施温格是量子电动力学的另一位奠基者,他提出了施温格电场的极限:在  (瓦特/平方米)这么强的电磁场中,真空就会产生双折射。但是“羲和二号”只能够达到  到  (瓦特/平方米)量级。所以当时我们就提出了一个非常巧妙的设计:把“羲和”一号和二号的光作用在一起。

根据当时理论计算,“羲和二号”可以对真空造成微弱的影响。它虽然离  (瓦特/平方米)还差了一万倍,但是由于一些涨落的效应,还是可以对真空有所影响。测量如此微弱的效应也十分困难。但因为我们有0.1纳米波长的激光,比常规的微米激光波长小了四个量级。而我们测量的灵敏度跟波长的平方反比,意味着波长小一万倍,我的灵敏度就会提高一亿倍,这才让测量如此微弱的效应成为可能。整体思路也就是用“羲和二号”的光来诱导真空微弱的双折射,然后使用基于加速器的纳米波激光——非常灵敏的探针把它测出来。虚光子的实验已有,希望我们实光子的实验能够获得更多有意思的结果。

这是我们实验装置的设计图。这是在真空室当中,很粗的红色光柱就是激光,我们要把它聚焦到五微米左右来诱导真空的双折射。如果这一现象发生了,水平方向的加速器纳米激光光源就能够把它测出来。这将来会是一个地标性的建筑,很漂亮,就在罗山路立交桥的东北角,但需要等到2025年左右才能实现。

“羲和二号”是否是强激光的极限?

如果“羲和二号”已经能看到微弱的真空双折射,是不是我们就到达了激光强度的极限?虽然距离施温格给出的上限还差一万倍,以后我们是否还做更大的激光器?我们一直也在问自己这个问题。最近的理论研究发现,基本上可以认为“羲和二号”已经达到了人类的光强的极限了。因为实际上我们实验室当中能够实现的真空并不完美。激光传播、经过反射镜反射,然后聚焦的过程都会使得材料被电离,因此我们根本做不到完美的没有粒子的真空。哪怕在最佳的真空的条件下,如此大的能量,哪怕是少量的粒子都会导致雪崩效应。所以做更大的激光器其实没有必要了,但可以提高激光器的输出频率和持续输出能力。

“羲和二号”由于它能量很大,现在的技术只能够让它大概两个小时发出一次激光。未来或许可以进一步提高它的重复频率,就可以测更多的现象。但结论还是,我们基本上接近找到了人类可以产生光强的极限。

未来展望

但是今年科学家们在西藏测量到了宇宙中到达地球的PeV(  电子伏特)高能光子。我们想知道宇宙中的什么加速器能够让光子达到这个能量。激光器已经无法达到这样能量的光子了,还是要靠光和带电的粒子的相互作用。在相对论框架下面,带电粒子与光的相互作用能够把等效的光强呈数量级的提升。这样的技术进一步能深入我们人类对更高的光强下的物理的认知。

同时能量转化为质量的过程,这与宇宙的起源相关的一些问题是分不开的。比如宇宙早期正反物质同时被产生,然后湮灭。但今天我们找不到反物质,是什么机制导致了这样的不对称?而我们的实验是一个光子,它会转化为正电子跟负电子,因此就提供了一个很好的实验平台来研究同等数量的正反物质的湮灭过程。在真空中,正反物质产生湮灭的时间窗口是  秒,我们把它叫仄秒。所以我们探测手段要跟得上,能够去测这么快发生的变化,这也会推动我们整个超快科学的发展。

如果我们将来能很好地掌握反物质,也许我们可以把它作为一个能量的来源。霍金当年有一个很好的设想:利用正反物质湮灭产生的能量作为星际航行的燃料。我们设想也许未来我们可以通过激光实现一个反物质的发生器,当然这都是在我们对反物质的认识有进一步深入理解之后。

演讲者:李儒新

文字整理:马潇汉;审读:王佳

排版:John

本文转自“墨子沙龙”微信公众号

责任编辑:bH_03116

关键词: 最新消息 李儒新羲和,中国自己的强激光 cnBeta

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