它们是有史以来最强的激光器，它们的光束正在帮助科学家探测宇宙的结构。 　　

我在密歇根大学的一个研究实验室里，明亮的绿光充满了一个技术巨头的真空室。它有两个网球场那么大。墙壁用 60 厘米的混凝土屏蔽，以防止辐射泄漏，工作人员戴着口罩和发网，以确保精密电子设备不受影响。 　　

这是宙斯，美国最强大的激光 - 这个月，它呼啸而过。 　　

与在商店中扫描条形码的连续激光不同，Zeus 是一种脉冲激光，以五分之一秒的频率连续发射。每束光束能够达到 3 拍瓦的峰值功率——相当于全世界耗电量的一千倍。例如，能够产生如此极端压缩能量的激光器将帮助研究人员研究支撑现实的量子定律，或者在太空中重建极端天体物理学的条件。 　　

但宙斯并不是唯一一个可能在未来几年揭示新发现的巨大激光器——从欧洲到亚洲的设施中的许多其他高功率激光器也紧随其后。整个领域“确实在增长”，密歇根大学Gérard Mourou超快光学科学中心主任Karl Krushelnick说。“人们正在推动这项技术，并寻找有趣的科学。 　　

在英国，一种名为 Vulcan 20-20 的激光器将在 2029 年完工后成为世界上最强大的激光器。它将产生比最强烈的阳光亮一百万倍、十亿倍、十亿倍的光束。这个单一脉冲产生的能量是全世界产生的能量的六倍以上，但持续时间不到万亿分之一秒，其目标尺寸仅为几微米。像宙斯一样，火神20-20将邀请来自世界各地的科学家进行实验，这些实验可能会改写我们对宇宙、核聚变的理解，甚至创造新的物质。 　　

20拍瓦的Vulcan 20-20是牛津郡哈威尔中央激光设施现有Vulcan的8500万英镑的升级 - 该设施正在拆除。目前，其一米宽的镜子相当于两个奥林匹克规模的游泳池，每个镜子重达1.5吨。粗细的白线从激光孔中蜿蜒而出，因为设备在房间周围弯曲。1997 年，卢瑟福·阿普尔顿实验室首次建造时，它被认为是最先进的，新的激光器将亮度提高 100 倍。 　　

“令人印象深刻的不仅仅是功率，而是激光的强度”，CLF实验科学小组负责人Rob Clarke说。要理解这种强度，想象一下 5 亿个标准的 40W 灯泡。现在“将光压缩成大约人类头发大小的十分之一的东西”，他说。“其结果是一个非常非常强烈的光源，正是它创造了所有有趣的等离子体，如巨大的电场和磁场，[和]粒子加速。 　　

Vulcan 20-20将允许科学家在实验室中进行天体物理学研究 - 重建遥远星系的条件，以分析恒星或气体云等的内部运作，或者物质在暴露于特定温度和密度时的行为。该研究领域是由研究宇宙的愿望驱动的，CLF的首席理论等离子体物理学家亚历克斯·罗宾逊解释说。他说，天体物理学研究通常是“观察性的”。“你用某种望远镜对准它，你会看到各种各样的东西。但这就引出了一个问题，即到底发生了什么。希望用这种功率的激光进行实验将首次允许“对某些理论是否有效进行真正严格的测试”。 　　

他们希望在牛津大学调查的谜团之一是磁场的起源，磁场围绕着宇宙中的大多数实质性物体，如恒星和行星。“为什么会有这些磁场?这并不完全明显，“罗宾逊说，没有任何观察可以真正回溯并测试它们最初出现的原因。其中一种测试方法可能涉及合并物质以产生冲击波，并添加人造湍流，例如由分子云，行星和尘埃等引起的湍流，以查看是否“可能产生磁场”。 　　

其他实验将探索宇宙射线的起源，射流是如何形成的，以及巨型行星内部的结构。 　　

研究人员还将使用Vulcan 20-20激光器来研究新材料的形成。氮化硼是一种比金刚石更硬的材料，可能被发现是亚稳态的——在实验室制造的非常高的压力和强度条件下产生，然后可以在环境温度下存活。“那么问题来了，你还能用同样的方式制造出什么其他材料?”罗宾逊说。“它们会具有出色的电子或光学特性吗?我不知道。但至少有一个金块告诉我们，有一些值得探索的东西。 　　

实现融合 　　

核聚变也在超高功率激光器的热门名单上。今年7月，位于加利福尼亚州的劳伦斯利弗莫尔国家实验室国家点火设施的研究人员第二次使用激光实现了能量的净增加。继去年12月该中心取得初步突破后，今年的实验创造了比第一次更高的能源产量，再次引发了清洁能源可能取代我们现有能源的希望。 　　

聚变也是位于罗马尼亚M?gurele的核物理极光基础设施中心的关键研究领域之一，该中心的强度为10拍瓦，保留了世界上最强大的激光器的称号。 　　

在过去的一年里，罗马尼亚激光器的运营商已开始与私营公司合作开发技术，为世界上第一批商业聚变工厂提供动力。使用为Mourou和Donna Strickland赢得2018年诺贝尔物理学奖的“啁啾脉冲放大”技术，激光脉冲将被拉伸，降低其峰值功率，然后再次被放大和压缩。克拉克说，这“几乎完全改变了激光发展的面貌”，允许以低功率达到更高的强度。 　　

他们对这种相互作用的物理过程的研究预计将在三年内发表，然后在2030年代建造第一批商业聚变发电厂。 　　

越大越好? 　　

物理学家热衷于强调该领域的协作性质，但规模仍然是一个吹嘘点。根据韩国相对论激光科学中心主任、光州科学技术大学教授Chang Hee Nam的说法，他们的激光目前“保持着世界上最高强度的激光记录”，达到10 ^ 23 W/平方厘米 - 或者说强度与地球上所有聚焦到一微米多一点的光一样强大。 或小于人类头发直径的五十分之一。 　　

韩国科学家正在利用这项技术探索质子疗法，这是一种针对患者肿瘤的带正电的光束的癌症治疗方法。 　　

在CoReLS的四拍瓦机器上，已经很好地探索了可以产生新的医学应用的研究，以及测试关于宇宙状态的百年想法，但该团队并没有就此止步。Nam 说：“我们现在正在推动拥有更高的 petawatt 激光器;我们正在为25 petawatt激光束准备一些建议。如果像他所希望的那样在未来六年内投入使用，它将使尚未建造的Vulcan 20-20相形见绌。 　　

不过，Vulcan的Clarke说，力量和强度并不是一切。现在最重要的指标是“你能用它做什么?你在驾驶什么科学?你打算从中得到什么?他说，这些激光器以及研究它们的研究人员最关心的一件事。“关键是要正确地构建它，并正确地使用它。”

来源：激光网