物理

史上最強雷射

鏡子與量子力學通力合作,把相當於超大型水庫發電量1000倍的光,聚焦在細胞核那麼小的點上,終於造出史上功率最強、價格不貴的超級雷射,不但可用於核融合發電,還可用來偵測最細微的初期癌症腫瘤細胞,前景一片看好!

撰文/摩路 ( Gerard A. Mourou ) 、烏姆斯塔特 ( Donald Umstadter )
翻譯/陳義裕

物理

史上最強雷射

鏡子與量子力學通力合作,把相當於超大型水庫發電量1000倍的光,聚焦在細胞核那麼小的點上,終於造出史上功率最強、價格不貴的超級雷射,不但可用於核融合發電,還可用來偵測最細微的初期癌症腫瘤細胞,前景一片看好!

撰文/摩路 ( Gerard A. Mourou ) 、烏姆斯塔特 ( Donald Umstadter )
翻譯/陳義裕


人類自有文明起,便夢想著把光加強。傳說中,阿基米德在公元前212年就曾於敘拉古利用一面巨鏡把陽光聚焦,使羅馬艦隊著火。雖然這故事可能是虛構,但在公元前200年左右,另一位叫戴克里斯的希臘人確實已發明一個理想的聚光元件,那就是拋物面鏡。2000年後,鏡子和量子力學則聯手讓我們造出了史上最多元、最有用的強光源──雷射。


我們可由「新星」(Nova)看出高功率雷射的梗概。新星這部機器設於美國勞倫斯利佛摩國家實驗室,在1985~99年間運轉,因為它曾是史上最大的雷射之一,所以人們以爆炸後會產生耀眼光芒的星星為之命名。10部平行相連的雷射放大器占了約100公尺範圍,而由許多重約180公斤的玻璃塊組成的鏡子,則把光束引向標靶,以便進行核融合及其他實驗。為免過熱,新星每天只能射個數次,很明顯,它藉由導引眾多能量而達到超高功率。


由於「功率」是單位時間內傳送的能量,所以要達到超高功率還有另一做法,也就是把適度的能量在極短時間內釋出。以今日的超快雷射標準而言,新星一般的3奈秒(3×10-9秒)脈衝,相對而言是長了些,而且它的每一脈衝需要數千焦耳能量。假若脈衝能縮短到1/100,則桌上型的新式雷射也可以有新星等級的輸出功率(參見「延伸閱讀1」)。舉例來說,如果把小小1焦耳的能量在100飛秒(10-13秒)的脈衝內釋出,則此高功率雷射就達到10兆瓦(相當1013瓦),這可是比全球所有電廠的總發電量還大。


這種袖珍雷射每天可以射個一億次,也可將能量聚在1微米(10-6公尺)的點上,產生世界上最強的光。伴隨此一巨大功率的則是史上最強的電場,約是每公分1兆伏特。這麼強的雷射光和物質間交互作用,便可複製出非常極端的物理條件,而這類條件通常只能在星球核心或黑洞附近才找得到,例如最高溫是絕對溫度1010K、最大磁場是109高斯,以及粒子最大的加速度為地球重力的1025倍。


這種耗資僅100萬美元(而非上億美元)的雷射,使得一般的大學實驗室及資金有限的國家都可以重拾「高級科學」的研究。在過去幾年內,世界上已經建造出數十部此類系統,用以研究不同的物理領域,其中包括了核物理、天文物理、高能粒子物理以及廣義相對論。此種新世代的雷射也衍生出諸多應用,例如X射線雷射、超小型粒子加速器,以及精確醫學放射線造影。同時,它使放射線治療前景看好,並可改善核融合發電的研究。


竅門大公開


1960年雷射發明後的五年間,桌上型雷射的發展經由一系列的科技躍遷,已進展到10億瓦功率的地步。但往後的20年內,進展卻出現停滯,桌上型雷射的最大功率也沒有增加。唯一能增加功率的辦法,就是製造更大的雷射。如果嘗試在極限強度之上運轉,雷射元件便會產生不當的非線性效應,輕微則降低光束品質,嚴重甚至會損壞元件。此一光學性損壞的難題,一直到1985年,摩路(作者之一)領導的研究群引進了「唧頻脈衝放大術」(chirped pulse amplification, CPA)才告解決。桌上型雷射的功率也立刻三級跳,一口氣增加103 ~105 倍。


「唧頻」指的是把一個訊號或波在時間上將之拉長。唧頻脈衝放大術的第一步是利用振盪器製造一個短脈衝並將之拉長,通常是拉長103 ~105 倍。這道手續也使脈衝的強度以等比例降低。接著我們便可對此脈衝施以一般的雷射放大術,最後再用一個結實的裝置,例如在真空狀態的一對繞射光柵,我們便可重新將脈衝壓回原來的時長,如此便可將功率提昇到比放大器極限還高103~105 倍。舉個典型的例子,拿一個延伸100飛秒並含0.2奈焦耳能量的原始脈衝,將其時間拉長1萬倍到1奈秒(這樣就使其功率從2000瓦降成0.2瓦),接著把它的能量放大100億倍,變成2焦耳的能量以及20億瓦的功率。將此脈衝重新壓回成100飛秒,便可使功率增加為20 兆瓦。如果不使用這種技術,逕自將原始的2000瓦脈衝送進桌上型放大器內,那是一定會把放大器給毀掉的,除非我們把放大器的橫截面增加1萬倍,同時讓整個光束分布其中才行。所以,CPA的技術讓我們仍可使用傳統的雷射放大器,而且不會發生非線性效應。


不過,欲登CPA之化境也非如前述那麼直接。這是因為,通常用來延長或壓縮脈衝的裝置均非完全線性作用,而若延長器與壓縮器的特性沒有緊密配合,最後想要的結果仍是出不來。


光強度在過去數年間有了一些進展,由於光學矯正元件的不斷演進,使得雷射光束可以聚焦在更小的點上。有了這個進展,再加上脈衝壓縮技術的改良,我們終於能夠使固定能量的光產生出最強的脈衝來。


1990年代在功率與強度上的進展,使得光與物質的交互作用開闢出一片叫作「相對論光學」(relativistic optics)的新天地。在這個領域裡,光會把電子加速到幾近光速。直到CPA技術面世前,這範疇唯有龐大、昂貴的雷射系統方可企及。


相對論光學


光學是研究電子對光的反應。這個定義聽起來也許不像許多人所想像的光學,例如光自鏡面反射,或受到游泳池水折射,但物質的所有光學性質,確實是光與該物質中的電子交互作用的結果。


光是一種由電場與磁場耦合在一起進行高頻同步振盪所形成的波。它的電場與磁場以互相垂直的方向振盪,並垂直於光的行進方向。當一個電子碰上一般功率的光波時,波的電場會對電子施加一個力量使之振動。該電子以相同的頻率來作平行於電場的振動,但此振動不見得和原光波同相位。電子的振動究竟是落後或超前原光波,則取決於物質上的原子以什麼樣的方式束縛它。而電子振動的振幅與相位,則反過來決定了光波在物質中如何傳播,這也就構成了物質的光學性質。


古典光學中,由於振幅很小,以致振動的速度與光速相較根本微不足道。可是當雷射強度進展到每平方公分超過1018瓦時,電子振動的速度也趨近光速,於是相對論效應將徹底改變電子對光的反應。


首先,高速會使電子質量增加,從而改變它振動的振幅與相位。但更重要的是,光波中的磁場也開始在其中發揮作用。磁場只當電荷運動時才會對電荷施力,這個磁力在古典光學的範疇是可忽略的,可是當電子振動的速度趨近光速時,它會讓電子的路徑轉彎,並使電子在光束行進方向有個巨大的動量。這個效應在相對論光學中扮演著關鍵角色。


光與原子核間的交互作用通常是可忽略的,這是因為質子的質量幾乎是電子的2000倍,因此相對而言振幅小得多。但當光強度夠大時,光也開始以近乎光速挪動質子。因為有許多核反應過程(如核融合)這時都有可能發生,所以這個範疇可以稱為「核光學」(nuclear optics)。


在1毫米內從0加速至60


「超強雷射光束」這種具相對論效應的力量,最明顯的應用當屬粒子的加速。帶電粒子加速器有許多用途,像電視映像管、癌症治療,乃至於宇宙基本作用力的研究等。它們的共通點是以電場或磁場來加速電子或質子等粒子。在古典光學中,雖然光波的電場有可能大到如閃電雷擊的程度,但因為電場是以橫向振盪的,所以無法有效用來加速粒子。相較之下,當超強的脈衝光打上電漿(由電子與陽離子組成的氣體)時,會驅動電子幾近光速向前行去,一如前述。


但故事還沒說完哩!由於電漿的陽離子是電子的數千倍重,所以會落在後頭。此一正負電的分離會造成一個大的電場,並可用以加速別的粒子。這個高電場區會以波的型式在電漿中傳播,並落在光脈衝的尾方。雷射尾場把帶電粒子加速至高能量的情況,就像是游於船尾水波內的海豚可增加泳動能量一樣。這種「雷射尾場加速器」的概念,在1979年由當時在美國加州大學洛杉磯分校的田島俊樹與道森首度提出。


把脈衝中的振盪電場轉化成永遠指著同方向的尾場,這過程叫作「整流」(rectification),因為這類似電子學中的整流器把交流電轉成直流電。傳統的加速器,例如三公里長的史丹佛線性加速器中心(SLAC),是用金屬腔來整流無線電波,以便沿著線束重覆「踢動」帶電粒子。(無線電波是一種和光一樣的電磁波,只是其頻率低多了,波長則長多了。)史丹佛線性加速器之所以需要三公里長才能達到目標的粒子能量,是因為每個空腔的加速電場有所限制。這個電場雖可藉由縮短無線電波波長並提高其強度而加大,但此二者皆受制於空腔:空腔大小限制了波長,而高強度則會造成金屬腔壁的電子崩潰(即放電)。由於雷射尾場加速器不用金屬腔,因而避開了這兩個限制;而如果利用最高強度的脈衝,粒子便可直接加速,一如相對論效應的電子遭光束加速一般,電漿也就可以省了。


過去數年中,雷射驅動的電子與質子加速器已可產生能量超過50MeV(百萬電子伏特)的線束,這相當於傳統加速器的一階(約數公尺長),而雷射系統僅在一毫米內就達到此能量。


利用高梯度達到瞬間加速有它的好處。例如烏姆斯塔特(本文作者之一)便曾展示過,具有數百萬電子伏特的電子線束之「亮度」(基本上,即是線束內的粒子濃度)超過了傳統加速器產生的線束,因為脈衝內束在一起的電荷根本沒時間以自身的靜電把別人擠開。此外,研究人員也證明,在許多應用上,廉價的雷射加速器都跟傳統加速器有同樣的功用,例如用來產生醫學診斷用的短生命期放射性同位素,或製造檢測物質用的中子與正子束。


不過,雷射系統產生的線束,粒子能量分布相對較寬,比較不適合於某些應用。此外,傳統系統常可將不同階段的加速器串在一起,像SLAC的三公里對撞機,以及美國費米實驗室的正負質子對撞機(Tevatron)那周長七公里的主環都是。現今對雷射加速器系統的研究,便集中於減小線束能量分布、達到多階加速,以便提昇線束的能量。研究人員也正在探索,如何利用波導來增加尾場加速粒子時的距離。


高能研究先鋒


我們並不期望雷射加速器會取代像Tevatron那種高能粒子物理的設備。相反的,它們可以輔助並擴充現有的系統,同時在某些特定應用和新式實驗中有其優點。不穩定粒子的加速便是一個很好的例子。


Tevatron代表了今日高能研究的先鋒:它可使質子以兆伏(TeV)的能量對撞。它的繼任者,歐洲核子研究組織(CERN)的「大強子對撞機」,用的也是質子。這類碰撞既複雜又混亂,因為質子是一堆夸克與膠子的強交互作用粒子黏聚而成。電子與正子是比質子更為基本的結構,所以它們產生的碰撞結果也比較「乾淨」,也就可以做更仔細、精密度更高的研究。但是加速它們會碰上一個問題:「輕量級」的電子與正子在圓形加速器內轉彎時,會損失太多能量而變成所謂的「同步輻射」(synchrotron radiation)。


加速緲子是個解決之道,它有電子的200倍重,所以因同步輻射而損失的能量就小了10億倍。然而緲子並不穩定,平均而言在2微秒後就會衰變,而高強度雷射只消用到緲子稍縱即逝生命的一小部分時間,便可將它加速到幾近光速。於是,相對論效應的時間膨脹就可順水推舟,以正比於能量的狀態幫我們延長緲子的生命,再讓傳統加速器從容接手。瞬間雷射加速對於π介子這類粒子就有更大的好處了,因為它們平均在短短的26奈秒內就衰變了。


超高功率雷射還可用來進行另一種新式的粒子物理實驗,即伽瑪光子碰撞。伽瑪射線是極高能量的光子,或可說是在頻譜上超越X光的極高頻光。高功率雷射束與高能電子束相碰時,會產生一束極窄的伽瑪射線。基本上,這是雷射的光子經由康普敦散射從電子上反彈產生。伽瑪射線的能量幾乎全由電子束能量決定:一個2500億電子伏特的電子,可以把光子從1電子伏特(可見光能量)撞成近2000億電子伏特。


當這樣的兩束伽瑪射線碰撞時,其交互作用比「電子/正子」或「緲子/反緲子」的碰撞更乾淨。相較於物質與反物質的毀滅作用(即粒子合併化成一道閃光),這過程則是反其道而行:光子這一撞卻創生了一對對的正、反粒子。不過呢,唯有使用超高強度的雷射,每個脈衝內才有足夠的光子可以製造數量顯著的伽瑪光子碰撞事件。1997年,美國羅徹斯特大學、普林斯頓大學、田納西大學以及SLAC的研究人員,以前述系統的改良裝置,利用伽瑪射線與雷射光子的碰撞,產生了正負電子對。時至今日,每個線性加速器都打算進行伽瑪光子的碰撞實驗,因為這對一般的正負電子對撞實驗提供了互補的效果。


搜尋癌症、治療癌症


經由產生像X射線或粒子束等具備高穿透力的輻射,雷射驅動的帶電粒子加速器有可能用在癌症的診斷與治療。當然啦,X射線用作診斷利器已有百年歷史。傳統的X射線管經由陰、陽極間的電場來加速電子,當電子打在陽極時,它們會急劇減速而產生大量X射線。其解析度受到X射線源的大小所限,在上例中,陽極通常約為100微米大小,利用此系統可以偵測到小至直徑約1公釐的腫瘤。


要利用超高強度雷射製造X射線,只需把它聚焦在適當的金屬靶上便可。這束光可以把金屬表面附近的電子加速到高能量,電子通過金屬塊附近時會減速,便像前述般發射出大量的X射線。由於把雷射聚焦在僅只幾微米的點上可以製造極微小的X射線源,於是我們便可偵測出很小的癌細胞腫瘤,在腫瘤發展的相當初期即可開始治療。原則上,要達到一微米的解析度,即約比驅動雷射的波長稍大一點,是可能辦到的。美國史丹佛大學、瑞典隆德大學及加拿大魁北克國家科學研究院的研究小組已展示此種X射線系統。


精確度對於放射線治療是極其重要的,它的目標是使腫瘤接受到最大劑量,但同時盡量減少對周圍健康組織的傷害。尤其是面對如腦或脊髓等敏感區的腫瘤治療時,能夠在小而明確的區域內施以控制的劑量,是其中的關鍵;質子與碳離子等粒子特別適合此用途。跟電子或光子不同的是,這些粒子較重,橫向散射較少,所以線束可保持很窄。這些粒子在運動軌跡上以穩定而極低的速率損失能量,最後才一口氣把大部分能量投擲在終點。給定一個起始能量,這過程會在組織裡一個非常明確的範圍內進行,因此這類較重的離子將劑量施加在深層腫瘤時,會比電子與光子有更佳的精確度。


目前已經有數個國家使用質子與碳束進行臨床試驗。不過,要以粒子進行廣泛治療,有一個主要的障礙︰傳統的粒子加速器造價太過高昂。舉例來說,位於日本千葉縣的「醫用重離子加速器」(Heavy Ion Medical Accelerator)造價將近三億美元,每年卻只有約200位病患能因它而受惠,只占適用此種癌症治療法病例中的一小部分。直至目前為止,雷射驅動加速器所能達到的離子能量還低了五倍,其能量分布也還太廣。但如果這兩個難題得以克服,癌症離子放射治療法的費用將可大幅降低,也會使更多病患受惠。


未來電廠新希望


由超高強度雷射脈衝所遞送的功率,等於是全球電廠的總和。未來,這等式可能會倒轉過來,因為此種雷射可能會成為核融合電廠的基本組件,供應世界能源的部分需求。人們追求用「受控核融合」來發電已有數十載,但卻始終遙不可及,令人洩氣。近年有個方法頗受青睞︰慣性約束融合(inertial-confinement fusion)。此法是把一丸燃料(如氫的重同位素,氘與氚之混合物)置中,然後用數十甚或數百個強雷射脈衝同時自四面八方去打它。這些雷射會壓縮並加熱燃料丸至極高密度與溫度,使得氘與氚核可以融合成氦並釋出大量的能量。利佛摩那個巨大的「新星」雷射,原本就是用於此研究目標的領導實驗裝置。


桌上型超高強度雷射無法提供足夠的總能量來驅動熱核融合,但搭配上新星級的表兄弟,也許可提高該過程在經濟與科技層面的可行性。欲達到壓縮燃料丸並引爆融合所需的條件,得要有非常非常對稱的內爆過程,任何一丁點兒的不完美,都會讓它像是打高空般無用。利佛摩研究人員提出的新技術中,把燃料壓縮成高密度的重活兒還是由大型雷射來擔綱,但不需要同時完全達到起燃溫度。取而代之的是,在趨近於最大密度時,使用袖珍型超高功率的CPA雷射加速射出一個超短的離子脈衝,打在內爆的燃料丸上。如同汽車引擎的火星塞,此脈衝會產生一個劇熱點,接著引發一波融合,然後漫燒整顆彈丸。透過這個技術,應可降低單由內爆引發融合所需的高難度技術需求,而且應可大幅提昇產能。


快速引燃技術的若干基本內容,最近也由英國牛津郡的拉塞福阿普頓實驗室與日本大阪大學的研究人員所驗證。可是就如融合研究的一貫情形,要證明這種方法確有作為經濟發電的實用性,還有許多路要走。但不管這個特定應用是否晉身傳奇的一頁,超高強度光的似錦前程與多才多藝,絕對是阿基米德與戴克里斯作夢也想不到的。


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