在中国上海一个狭窄的实验室里，物理学家李如新及其同事创造了世界上有史以来最强大的光脉冲的记录。 他们的激光器的核心称为上海超高强度超快激光器设施（SULF），是一个蓝宝石圆柱体，掺有大盘子大小的钛。 光线进入晶体后，它会通过透镜和镜子系统，并转换为难以置信的能量。 2016年，安装量达到了5.3 PW（拍瓦，10
15 W）。 但是，在上海，并不是每次启动激光都熄灭。 尽管这些冲动非常强大，但它们也非常短-每个脉冲持续的时间不超过一万亿分之一秒。 现在，研究人员正在更新他们的激光器，并希望在今年年底之前打破自己的记录，产生一个10PW的脉冲，这是世界上所有电网的功率的1000倍。
但是该组织的野心并没有就此结束。 今年，Lee和他的同事们将开始制造一种100-PW的激光器，称为极光站（SEL）。 到2023年，他应该能够在地下20米的房间内触发脉冲，使目标暴露于地球上未发现的极端温度和压力下-这将是所有天体物理学家和材料科学家的庆祝活动。 同样，激光将能够演示一种加速粒子加速的新方法，它将在医学和高能物理中得到应用。 但是，据李说，最有趣的事情将是展示光如何将电子及其孪晶从反物质，正电子，从空的空间中拉出-这种现象被称为“真空破裂”。 这将是物质和能量可交换性的惊人展示，它假定了阿尔伯特·爱因斯坦著名的方程E = mc
2 。 尽管众所周知，核武器能够将物质转化为大量的热和光，但是反过程并不那么容易发射。 但是李说SEL可以应付。 他说：“这将非常令人兴奋。” “这意味着您可以一无所获。”
斯坦福大学核物理学家菲利普·巴克斯鲍姆（Philip Bucksbaum）表示，一支由中国科学家组成的团队“绝对是100 PW的先锋”。 但是他们有足够的竞争对手。 在接下来的几年中，作为欧洲研究
极限光基础设施的一部分，将在罗马尼亚和捷克共和国投入使用10-PW激光器，尽管该项目最近推迟了100-PW激光器的建造。 俄罗斯物理学家已经为Exawatt极光研究中心（
XCELS ）
项目 开发了一种 180PW的激光装置[
不只是开发-该项目已经列入2010-2020年的大型项目清单中。 佩雷夫 ]，日本人提出了制造容量为30 PW的设备的建议。
由Bucksbaum主持的国家科学，工程和医学研究院上个月发布的一项研究显示，美国科学家退出了高能竞争。 这项研究呼吁美国能源部计划至少一个高能电厂，这给纽约罗切斯特大学的研究人员带来了希望，他们正在制定建造75PW激光器的光参量放大器线（OPAL）的计划。 她将能够利用
OMEGA-EP的激光，这是美国最强大的激光之一。 “学院报告鼓励采取行动，” OPAL项目负责人乔纳森·祖格尔（Jonathan Zugel）说。
1960年代发明的激光器使用外部泵系统（例如闪光灯）来激发激光器底层材料（通常是气体，晶体或半导体）原子中的电子。 当这些电子中的每一个返回非激发态时，它会发射一个光子，这又会刺激另一个电子发射一个光子，依此类推。 与发散的光线不同，激光中的光子产生具有特定波长的密集堆积流。
由于功率是每单位时间的能量，因此有两种方法可以最大化功率：增加激光能量或减少脉冲持续时间。 1970年代，来自加利福尼亚利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究人员专注于第一种方法，通过将光线重定向到掺钕玻璃构成的其他生成晶体中来增加激光能量。 但是，超过一定强度的光束会损坏放大器。 为避免这种情况，实验室必须将其尺寸增加到直径数十厘米。 但是在1983年，现在在巴黎理工学院工作的Gerard Mourou和他的同事取得了突破。 他意识到，可以使用衍射光栅来及时拉伸短暂的激光脉冲-使其强度降低-衍射光栅根据脉冲的构成颜色对其进行分配。 在将光放大到更高的能量之后，可以使用第二个衍射光栅将其重新压缩。 结果是产生了更强大的脉冲，不会损坏放大器。
chi脉冲的放大成为高能激光器的基础。 1996年，它允许LLNL研究人员使用Nova激光器获得世界上第一个拍瓦脉冲。 从那时起，LLNL一直在提高激光能量，以实现核聚变。
国家点火系统产生的脉冲包含令人难以置信的1.8 MJ能量，试图将微小的氢胶囊加热到合成温度。 但是，这些脉冲相对较长，并且仍然达到不超过1 PW的功率。
为了增加功率，科学家们转向了研究的时间领域：他们试图在越来越短的时间内封装脉冲的能量。 一种方法是通过添加钛来放大蓝宝石晶体中的光，从而产生具有宽频率范围的光。 在镜相机中，这些脉冲反射并在此处到处跳动，可以做到的是，在脉冲长度的很大一部分中，各个频率分量相互破坏，同时在脉冲的一小段上相互放大，长度只有几十飞秒。 如果以几百焦耳的能量泵送此类脉冲，则可获得10 PW的峰值功率。 这样一来，SULF和其他基于蓝宝石的激光器就可以使用安装在仅价值数千万美元的大房间中的设备来打破功率记录，尽管国家点火系统大楼耗资35亿美元并占据了一座有三个足球场的十层大楼领域。
将脉冲功率从10 PW增加到100 PW一个数量级，将需要更多技巧。 一种方法是将脉冲能量从数百焦耳增加到数千焦耳。 但是基于蓝宝石和钛的激光器几乎无法获得这样的能量，因为没有高功率的大型晶体往往会以与光束成直角的角度发射光，从而浪费了能量。 因此，来自SEL，XCELS和OPAL项目的科学家将希望寄托在光参量放大器上。 他们接收由衍射光栅拉伸的脉冲，然后将其发送到人造非线性晶体，在该晶体中，第二个泵浦光束的能量可以发送给脉冲。 重新压缩所产生的高能脉冲会提高其能量。
接近100 PW标记的一种可能性是组合多个脉冲-在SEL的情况下为四个30 PW的脉冲，在XCELS的情况下为十二个15 PW的脉冲。 LNLL激光专家KonstantinHäfner说，但是仅施加仅持续几个fs的脉冲将“非常非常困难”。 他说，即使是轻微的振动或温度变化也可以将其排除。 OPAL将尝试使用一个光束产生75 PW的脉冲。
Muro看到了获得100 PW功率的另一种方法：增加第二级脉冲压缩。 他建议使用塑料薄膜，以便以10 PW的功率扩展脉冲范围，然后将这些脉冲压缩到几个飞秒，以将功率急剧增加到100 PW。
当激光器的创造者实现其功率目标时，他们将面临另一个挑战：非常精确的光束聚焦。 许多科学家更加关注的不是总功率，而是强度-单位面积的功率。 如果获得更好的聚焦，强度会增加。 如果可以将100PW的脉冲聚焦在3μm的区域上（如Lee计划在SEL上进行的那样），则该区域的光束强度将达到令人难以置信的10
24 / cm
2 －这是25个数量级，或者是10万亿倍。阳光到达地球。
这样的强度将为打破真空开辟道路。 根据描述电磁场与物质相互作用
的量子电动力学理论 ，真空并不是像传统物理学所声称的那样空洞。 在极短的时间尺度上，由于量子力学固有的不确定性，电子和正电子对从无处出现。 由于彼此的吸引，他们几乎立即彼此歼灭。
但是，原则上，非常强的激光可以在碰撞之前分离出这些粒子。 像任何电磁波一样，激光束包含一个振荡电场。 随着强度的增加，电场强度也增加。 俄罗斯科学院下诺夫哥罗德
分校前应用物理研究所所长
亚历山大·米哈伊洛维奇·谢尔盖夫 （
Alexander Mikhailovich Sergeev）以10
24 W / cm
2的强度在大约
24 24 W / cm
2的强度下将开始打破一些电子-正电子对之间的相互吸引。 RAS。 激光场将摇动这些粒子，使它们发出电磁波-在这种情况下为伽马射线。 这些射线将产生新的电子-正电子对，依此类推，这将导致可以检测到的粒子和辐射级联。 “这将是一个全新的物理学，”谢尔盖耶夫说。 他补充说，伽马光子的能量足以将原子带入激发态，因此，物理学的一个新分支将诞生，即“核光子学”-利用强光控制核过程。
罗彻斯特大学的OMEGA-EP放大器由手电筒照亮，可以为美国大功率激光器供电破坏真空的一种方法是将单个激光束聚焦在真空室中的空白区域。 但是碰撞两个光束会更容易，因为这会增加为电子和正电子产生质量所需的动量值。 在SEL中，光子不会直接碰撞。 首先，脉冲会将电子从氦气中敲除。 然后，来自激光束的其他光子将被电子反射，并转换为高能伽马射线。 其中一些会与光束的光子发生碰撞。
仅解决此类
光子碰撞将是一项严肃的科学成就。 古典物理学坚持认为，两束光应无阻力地互相穿过，但是量子电动力学的一些早期预测表明，会聚的光子有时会相互散射。 “这种预测是在1930年代初做出的，”英国普利茅斯大学的理论物理学家汤姆·海因茨说。 “能够通过实验确认它们将很高兴。”
除了制造更强大的激光外，研究人员还希望它们能够更快地拍摄。 每次发射之间，将初级能量泵浦到激光器中的脉冲灯需要从几分钟冷却到几小时，这使需要大量数据的研究变得复杂-例如，研究光子变成神秘的暗物质粒子的情况，这构成了宇宙的大部分质量。 。 “最有可能的是，要看到这一点，您需要拍摄很多照片，”德克萨斯大学奥斯汀分校的物理学家曼努埃尔·黑杰里奇（Manuel Hegelich）说。
更高的脉冲重复频率是使用高能激光控制粒子束的关键。 在一种方案中，强束必须将金属靶材转变成等离子体，释放电子，电子进而将质子从金属表面击落出核。 医生可以使用这种质子来破坏癌性肿瘤-高速的工作将使其更容易进行小剂量和单个剂量的手术。
物理学家梦想着粒子加速器的工作原理是快速激光脉冲。 当强激光脉冲与电子和正离子的等离子体碰撞时，它将推动较轻的电子向前移动，从而分离电荷并产生一个次级电场，该次级电场像水一样在船后唤醒水，从而在光之后拉动离子。 与传统的万用表加速器相比，这种“激光唤醒波”可以将带电粒子加速到由几毫米界定的空间中的高能量。 因此，使用磁体，加速的电子可以传递振动并产生自由电子激光（FEL），该自由电子激光会产生非常明亮和短时间的X射线闪光，从而可以阐明短期的化学和生物学现象。 与传统加速器相比，激光上的FEL可能变得更加紧凑和便宜。
从长远来看，通过以PW的功率快速重复激光脉冲来加速的电子可以大大降低物理学家梦of以求的机器的成本：30公里的电子-正电子对撞机，它将成为CERN大型强子对撞机的后继产品。 伦敦帝国理工学院的等离子体专家斯图尔特·芒格斯（Stuart Mangles）说，基于100PW激光的设备比目前计划的耗资100亿美元的设备短不少于10倍，并且更便宜。
对于线性对撞机和FEL，每秒将需要数千甚至上百万张照片，这远远超出了现代技术。 Muro正在与同事一起探索的可能性之一就是尝试合并成千上万个不需要用闪光灯激励的快速发射光纤放大器的输出。 另一种选择是用二极管激光器代替闪光灯，尽管价格昂贵，但在批量生产中会变得更便宜。
到目前为止，中国的李氏集团及其在俄罗斯和美国的竞争对手正在关注权力问题。 IAP激光专家Yefim Khazanov表示，XCELS将于2026年准备就绪-如果政府同意为其分配资金，则约120亿卢布（约2亿美元）。 同时，OPAL似乎是一个相对有利可图的选择，价格在50美元至1亿美元之间。
但是第一个打破真空的激光器可能是中国SEL。 去年7月，国际科学家委员会将激光器的概念设计描述为“明确而引人注目的”，李希望今年能获得政府批准的1亿美元领域的资金。 李说，当世界上最强大的激光打开时，其他国家不应感到自己仍处于阴影之中-因为SEL将作为一项国际项目开展工作。 祖格尔说，他不喜欢“待在一边”，但他承认中国集团的立场很强。 他说：“中国有很多钱，还有很多非常聪明的人。” 他们仍在成长为许多技术，但它们正在迅速发展。”