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撰文 | Gerard A．Mourou，Donald Umstadter

翻譯 | 郭凱聲

審校 | 趙輝

熱拉爾·穆魯（Gérard Mourou）

人類自有文明起，就夢(mèng)想能獲得強(qiáng)光。傳說公元212年，阿基米德曾用一面巨大的反射鏡將陽光聚焦，點(diǎn)燃了集結(jié)在敘拉古的羅馬戰(zhàn)船而使敵人葬身火海。雖然這個(gè)故事只是神話，但另一位希臘人Diocles的發(fā)明卻是真的。公元前200年，他制作了一個(gè)拋物面反射鏡，這可算得上人類歷史上第一種理想的聚焦光學(xué)器件。兩千年以后，研究人員把反射鏡與量子力學(xué)結(jié)合起來，獲得了一種無所不能的高強(qiáng)度光源——激光。

一臺(tái)名叫Nova(新星)的激光器于1985年在美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室投入運(yùn)行，一直工作到l999年，現(xiàn)在它已成為大功率激光器的象征。這臺(tái)激光器因其亮度堪與爆炸后的恒星亮度相媲美而得名，它是迄今為止功率最大的激光器之一。l0臺(tái)并排放置的激光放大器占據(jù)了500多平方米大的空間；反射鏡用重達(dá)180多公斤的玻璃塊制成，它把光束引向目標(biāo)來進(jìn)行核聚變和其它各種實(shí)驗(yàn)。為避免機(jī)器過熱，Nova每天只開動(dòng)幾次。很明顯，為了達(dá)到極高的功率，它不得不聚集大量的能量。

但是要記住功率是單位時(shí)間內(nèi)傳送出的能量，它不僅與能量的大小有關(guān)，也與發(fā)送能量的時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)。因此，我們可以通過另一種方法來產(chǎn)生超高功率，那就是在極短的時(shí)間內(nèi)釋放出適當(dāng)?shù)哪芰?。按現(xiàn)今超快激光器所達(dá)到的水平來衡量，Nova通常產(chǎn)生的脈沖是相當(dāng)長(zhǎng)的(3納秒)，而產(chǎn)生每個(gè)脈沖需要數(shù)千焦耳的能量。一種新型的激光器小得可以安裝在桌面上，但它產(chǎn)生的功率卻與Nova不相上下，其奧妙就在于它使用的脈沖僅為Nova的萬分之一。例如，假定一臺(tái)超高功率激光器的每個(gè)脈沖只有區(qū)區(qū)1焦耳的能量，但脈沖持續(xù)時(shí)間卻短至l00飛秒(1飛秒為10^-15秒)，那么它的功率便可達(dá)到10萬億瓦，比全世界所有發(fā)電站的總發(fā)電量還大。

這類小型激光器每天可點(diǎn)燃1億次，并可以把它們發(fā)出的能量集中在只有1微米的小點(diǎn)上，從而產(chǎn)生出地球上強(qiáng)度最高的光。這樣大的功率同時(shí)也形成了地球上最強(qiáng)的電場(chǎng)，其大小為每厘米1萬億伏左右。這種高強(qiáng)度激光與物質(zhì)的相互作用可以產(chǎn)生只有在恒星內(nèi)核或黑洞附近才能觀察到的極端物理?xiàng)l件，包括極高的溫度(10^10開氏度)，極強(qiáng)的磁場(chǎng)(10^9高斯)和極大的粒子加速度(相當(dāng)于地球上重力加速度的10^25倍)。

這類激光器的造價(jià)僅為l00萬美元而非人們所想的數(shù)億美元，因此它們將有助于讓“高級(jí)科學(xué)”回歸普通的大學(xué)實(shí)驗(yàn)室，而研究資金有限的國家也可以涉足這一領(lǐng)域的研究。在世界各地，這種激光器已經(jīng)用于物理學(xué)若干分支的研究工作，其中包括核物理學(xué)、天體物理學(xué)、高能粒子物理學(xué)以及廣義相對(duì)論等。

絕技逞威

激光器是在1960年問世的。其后的5年間，臺(tái)式激光器通過一系列的技術(shù)改進(jìn)已達(dá)到10^9瓦的功率。再后的20年中沒有出現(xiàn)多大進(jìn)展，臺(tái)式激光器的最大功率基本上在原地徘徊。當(dāng)時(shí)提高激光器功率的唯一辦法就是研制出更大的激光器。如果使激光器超出極限光強(qiáng)度的范圍以外，將使激光器元件產(chǎn)生有害的非線性效應(yīng)，影響光束質(zhì)量，甚至損壞元件。Mourou(本文作者之一)所領(lǐng)導(dǎo)的研究小組推出了一項(xiàng)名為“啁啾調(diào)頻脈沖放大”(Chirped Pulse Amplification)的技術(shù)以后，這一光學(xué)破壞問題才得以解決。臺(tái)式激光器的輸出功率因此而猛增了10^3到l0^5倍。

對(duì)一個(gè)信號(hào)或波進(jìn)行“啁啾調(diào)頻”(Chirping)就是把它在時(shí)間上拉長(zhǎng)。在通過啁啾調(diào)頻放大脈沖時(shí)，第一步是用振蕩器產(chǎn)生一個(gè)短脈沖并把它拉長(zhǎng)，通常拉長(zhǎng)10^3到10^5倍。這一過程使脈沖的強(qiáng)度下降了同樣的倍數(shù)。然后就可以用標(biāo)準(zhǔn)的激光放大方法來放大這個(gè)脈沖。最后一步則是用一臺(tái)結(jié)實(shí)的裝置(如真空中的一對(duì)衍射光柵)將脈沖重新壓縮回它原先的長(zhǎng)度，這樣就使它的功率大大提高，超出放大器功率極限的10^3到10^5倍。我們來看一個(gè)典型的例子。最初的種子脈沖其長(zhǎng)度為l00飛秒，能量為0．2納焦耳。我們把它拉長(zhǎng)10^4倍，使其長(zhǎng)度變?yōu)?納秒(其功率則從大約2千瓦降低到0．2瓦)。然后把它放大10個(gè)數(shù)量級(jí)，這樣它的能量就增加到2焦耳，功率增加到2千瓦。把這個(gè)脈沖的長(zhǎng)度重新壓縮到100飛秒，就使功率增加到20萬億瓦。如果沒有這項(xiàng)技術(shù)，讓最初那個(gè)功率為2千瓦的脈沖穿過臺(tái)式放大器很可能導(dǎo)致放大器被毀，除非我們把放大器的橫截面積擴(kuò)大10^4倍，并讓光束分散到整個(gè)橫截面上。CPA技術(shù)使我們有可能利用傳統(tǒng)的激光放大器而又不會(huì)導(dǎo)致非線性光學(xué)效應(yīng)的出現(xiàn)。

完善CPA技術(shù)并不象說起來那樣簡(jiǎn)單。用來拉長(zhǎng)或壓縮脈沖的標(biāo)準(zhǔn)器件一般并不能使脈沖實(shí)現(xiàn)完全線性的拉長(zhǎng)或壓縮；如果啁啾調(diào)頻裝置和脈沖壓縮裝置的特性不能高度匹配，那么這一過程將產(chǎn)生非常糟糕的結(jié)果。

過去幾年中，由于矯正光學(xué)器件的發(fā)展使激光束能夠被聚焦成尺寸小得多的光斑，光強(qiáng)度有了進(jìn)一步提高。這一進(jìn)展以及脈沖壓縮技術(shù)的持續(xù)改進(jìn)使脈沖強(qiáng)度已提高到給定光能量下所能達(dá)到的最大強(qiáng)度。

激光的功率與強(qiáng)度在20世紀(jì)90年代所取得的這些進(jìn)展使研究光與物質(zhì)間相互作用——屬于“相對(duì)論光學(xué)”(relativistic optics)研究的范疇——居于統(tǒng)治地位。發(fā)生這類相互作用時(shí)光把電子加速到接近光速。在CPA技術(shù)問世之前，這類相互作用只有使用非常龐大和昂貴的激光系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)。

相對(duì)論光學(xué)

光學(xué)是研究電子對(duì)光的反應(yīng)。這一定義聽起來可能與許多人心目中的光學(xué)相距甚遠(yuǎn)，例如光被鏡面反射或受到游泳池水的折射。但任何一種物質(zhì)的光學(xué)特性都與光如何與該物質(zhì)中的電子相互作用有關(guān)。

光是耦合電磁場(chǎng)以極高頻率同步振蕩時(shí)所形成的一種波。電場(chǎng)與磁場(chǎng)振蕩的方向互相垂直，并且與光波行進(jìn)的方向垂直。當(dāng)電子與具有通常功率的光波相遇時(shí)，光波的電場(chǎng)便對(duì)電子施加一個(gè)作用力，使它振蕩起來。電子的振蕩方向與電場(chǎng)方向平行，振蕩的頻率則與光波頻率相同，但它的振蕩不一定與光波相同。電子的振蕩可能落在光波后面，也可能超前，這要看電子是如何束縛在物質(zhì)的原子上。反過來，電子振蕩的幅度和相位也決定了光波如何在物質(zhì)中傳播，從而決定了物質(zhì)的光學(xué)特性。

古典光學(xué)認(rèn)為，電子的振蕩幅度很小，因此電子的振蕩速度與光速相比始終是非常小的。然而，隨著激光強(qiáng)度增加到每平方厘米10^18瓦以上，電子的振蕩速度開始接近光速，此時(shí)相對(duì)論效應(yīng)從根本上改變了電子對(duì)光的響應(yīng)。

首先，速度越高，電子的質(zhì)量就越大，這使電子振蕩的振幅和相位均受到影響。更重要的是，光波的磁場(chǎng)也開始發(fā)揮作用。只有當(dāng)電荷在運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁場(chǎng)才會(huì)對(duì)電荷產(chǎn)生作用力。在古典光學(xué)的范圍內(nèi)，磁力可以忽略不計(jì)。但是當(dāng)電子的振蕩速度接近光速時(shí)，磁場(chǎng)就會(huì)使電子的運(yùn)動(dòng)路徑彎曲成螺旋形，并使電子在沿光束行進(jìn)的方向上獲得巨大的動(dòng)量。這一效應(yīng)在相對(duì)論光學(xué)中起著核心作用。

質(zhì)子的質(zhì)量幾乎為電子質(zhì)量的2000倍，這樣它在與光波相遇時(shí)振幅也比電子小得多，因此光與原子核的相互作用通?？梢院雎圆挥?jì)。但是當(dāng)光的強(qiáng)度足夠高時(shí)，它也會(huì)使質(zhì)子以相對(duì)論的速度運(yùn)動(dòng)。這時(shí)可能發(fā)生許多核反應(yīng)過程(如聚變反應(yīng))，因此我們不妨稱這研究領(lǐng)域?yàn)楹斯鈱W(xué)(nuclear optics)。

在1毫米之內(nèi)從0加速到60MeV

超強(qiáng)激光束所產(chǎn)生的具有相對(duì)論效應(yīng)的力量最明顯的用途就是使粒子加速。帶電粒子加速器的用途不勝枚舉，從電視顯像管到癌癥治療乃至研究宇宙的基本力等等，均可見到它的身影。所有這些加速器都有一個(gè)共同特點(diǎn)，即電子或質(zhì)子之類的粒子是通過電場(chǎng)或磁場(chǎng)來加速的。古典光學(xué)范疇內(nèi)的光波其電場(chǎng)強(qiáng)度可以達(dá)到閃電雷擊的電場(chǎng)強(qiáng)度，但這些電場(chǎng)本身并不能有效地加速粒子，因?yàn)樗鼈兪菣M向振蕩的。相較之下，超強(qiáng)度脈沖的情況則是當(dāng)這樣的脈沖撞上等離子體(即電子和正離子組成的一種氣體)時(shí)，它就如我們上面所闡述的那樣把電子向前加速到接近光速。

然而好戲還在后頭。等離子體中的正離子比電子重幾千倍，因此電子向前加速時(shí)就把正離子拋在了后面。正負(fù)電荷的分離產(chǎn)生出一個(gè)強(qiáng)大的電場(chǎng)，可用來加速其它的粒子。強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)緊跟在光脈沖的后面，以波的形式穿越等離子體。帶電粒子在激光的尾波場(chǎng)中被加速達(dá)到很高的能量，就像海豚緊跟在輪船后面與船尾水波的波動(dòng)節(jié)奏同步地游動(dòng)從而獲取能量一樣。這樣一種激光尾波場(chǎng)加速器的設(shè)想是當(dāng)時(shí)在洛杉磯加利福尼亞大學(xué)的Toshiki Tajima和John M．Dawson于l979年首次提出來的。

把光脈沖的振蕩電場(chǎng)轉(zhuǎn)換為始終指向一個(gè)方向的尾波場(chǎng)的過程稱為整流(rectification)，因?yàn)樗脑砼c電子器件中把交流電(AC)轉(zhuǎn)換為直流電(DC)的整流器相似。傳統(tǒng)的加速器，例如長(zhǎng)達(dá)3公里的斯坦福直線加速器中心(SLAC)，利用金屬空腔對(duì)無線電波整流，從而把帶電粒子沿著束流方向一腳接一腳地“踢”下去。(與光波一樣，無線電波也是電磁波，但其頻率比光波低得多，波長(zhǎng)則要長(zhǎng)得多)。斯坦福直線加速器必須有3公里長(zhǎng)才能達(dá)到其預(yù)定的粒子能量，因?yàn)槊恳豢涨坏募铀匐妶?chǎng)有限。使用波長(zhǎng)更短、強(qiáng)度更大的射頻波，可以增強(qiáng)加速場(chǎng)，但是這兩方面的性質(zhì)受到空腔本身的限制：空腔的大小限制了無線電波的波長(zhǎng)，而無線電波強(qiáng)度過高則可能引起金屬空腔壁的電子擊穿(發(fā)火花)。激光尾波場(chǎng)加速器不使用空腔，因此可以避免這些問題。使用強(qiáng)度最高的光脈沖，粒子或許可以被直線加速，這時(shí)它的加速方式與光束產(chǎn)生相對(duì)論效應(yīng)電子的過程是一樣的，無須靠等離子體來幫忙。

過去幾年中，激光驅(qū)動(dòng)的電子與質(zhì)子加速器已產(chǎn)生出能量超過50兆電子伏(MeV)的粒子束。此能量與傳統(tǒng)加速器中的一級(jí)(幾米長(zhǎng))所達(dá)到的加速能量相等。但激光系統(tǒng)只需僅僅l毫米的長(zhǎng)度就達(dá)到了此能量。

利用高梯度場(chǎng)迅速實(shí)現(xiàn)加速具有若干優(yōu)點(diǎn)。例如Umstadter(本文作者之一)演示了能量為幾兆電子伏的電子束，它的“亮度”(實(shí)際上就是束中粒子的集中度)超過了傳統(tǒng)加速器生成的粒子束的亮度，這主要是因?yàn)榧性谝粋€(gè)粒子束脈沖中的電荷由于粒子加速較快而來不及通過其自身的靜電力作用使粒子束散開。此外，研究人員還證明，成本低廉的激光加速器和傳統(tǒng)加速器一樣有著廣泛的用途。例如生產(chǎn)醫(yī)療診斷用的短壽命放射性同位素以及生成材料研究用的中子和正電子束等。

不過，激光系統(tǒng)所產(chǎn)生的粒子束其粒子能量分布范圍比較寬，這對(duì)于某些應(yīng)用場(chǎng)合是一個(gè)不利條件。此外，傳統(tǒng)的加速器通常把多個(gè)加速級(jí)串聯(lián)在一起，例如SLAC的3公里長(zhǎng)的直線對(duì)撞機(jī)以及費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室Tevatron加速器周長(zhǎng)7公里的主環(huán)便是如此。當(dāng)前激光加速系統(tǒng)研究工作的重點(diǎn)是縮小粒子束能量分布范圍并實(shí)現(xiàn)多級(jí)加速以增加粒子束的能量。研究人員也在探索如何利用波導(dǎo)來延長(zhǎng)尾波場(chǎng)使粒子持續(xù)加速的距離。

高能研究前沿

我們認(rèn)為激光加速器不會(huì)取代高能粒子物理研究機(jī)構(gòu)使用的傳統(tǒng)加速器(如Tevatron)。激光加速器只是補(bǔ)充并增強(qiáng)現(xiàn)有的加速系統(tǒng)，它們的特點(diǎn)使其適用于一些特殊的場(chǎng)合以及新型的實(shí)驗(yàn)。加速不穩(wěn)定粒子可能就屬于這樣一種情況。

Tevatron加速器代表了現(xiàn)今高能物理研究的最前沿：它使質(zhì)子以1萬億電子伏(TeV)的能量相對(duì)撞。繼TeVatron之后的下一代加速器是歐洲核子研究中心(CERN)的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)，它也以質(zhì)子為加速對(duì)象。質(zhì)子間的高能對(duì)撞是非常復(fù)雜和混亂的，因?yàn)橘|(zhì)子由夸克和膠子一類強(qiáng)相互作用粒子構(gòu)成。電子和正電子具有比質(zhì)子更為基本的結(jié)構(gòu)，因此它們的對(duì)撞所產(chǎn)生的結(jié)果比質(zhì)子對(duì)撞要“干凈”得多，這樣研究人員就可以對(duì)它進(jìn)行更為詳細(xì)和精確的研究。但是加速電子和正電子會(huì)遇到一個(gè)問題：電子和正電子質(zhì)量太輕，因此它們?cè)谘又h(huán)形加速器的彎曲段運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)損失很大一部分能量而變成所謂的“同步輻射”(Synchrotron—radiation)。

解決這個(gè)問題的辦法之一是加速μ介子，μ介子的質(zhì)量為電子質(zhì)量的200倍，所以它的同步輻射損失的能量比電子低10億倍。遺憾的是μ介子是一類不穩(wěn)定的粒子，平均兩微秒多一點(diǎn)就要衰變。雖然μ介子壽命極短，瞬息即逝，但高強(qiáng)度激光器可以在其壽命稍縱即消逝的極短瞬間就把μ介子加速到非常接近光速。此時(shí)相對(duì)論效應(yīng)的時(shí)間膨脹將發(fā)揮作用，使μ介子的壽命與其所達(dá)到的能量正比地延長(zhǎng)，這樣傳統(tǒng)的加速器就將有更多的時(shí)間接著對(duì)μ介子進(jìn)行考察。對(duì)于π介子這樣壽命更短的粒子(π介子平均在26毫微秒內(nèi)就會(huì)衰變)用激光對(duì)其迅速加速的好處將更為明顯。

借助于超高能激光器而得以實(shí)現(xiàn)的另一類粒子物理實(shí)驗(yàn)是伽瑪光子對(duì)撞(γ—γ collider)。伽瑪射線在電磁波譜上位于X射線以外，是極高頻光子。高能激光束與高能電子束碰撞時(shí)將產(chǎn)生一束狹窄的伽瑪射線。實(shí)質(zhì)上就是激光的光子通過所謂的“康普頓散射”過程從電子上反射回來。伽瑪射線的能量主要取決于電子束的能量：能量為250千兆電子伏(GeV)的電子束可以使光子的能量從l電子伏(可見光)增加到200千兆電子伏。

當(dāng)兩束這樣的伽瑪射線相撞時(shí)，它們的相互作用比“電子一正電子”對(duì)撞或“介子一反介子”對(duì)撞還要干凈。這樣一種碰撞過程與物質(zhì)一反物質(zhì)湮滅過程恰恰相反。湮滅過程是正反粒子合并在一起，變成一束輻射，而伽瑪射線的碰撞過程則是它們的光子在相撞后變?yōu)槌蓪?duì)的粒子與反粒子。但是，只有使用超高強(qiáng)度的激光器，每一光脈沖內(nèi)才有足夠數(shù)量的光子來產(chǎn)生相當(dāng)多的伽瑪光子碰撞。1997年，美國羅徹斯特大學(xué)、普林斯頓大學(xué)、田納西大學(xué)及SLAC中心的研究人員演示了此系統(tǒng)的一個(gè)變種，即通過伽瑪射線與激光光子的相撞而產(chǎn)生出電子一正電子對(duì)。目前每一臺(tái)直線粒子對(duì)撞機(jī)都計(jì)劃進(jìn)行伽瑪光子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)，這類實(shí)驗(yàn)對(duì)于通過一般的“電子一正電子”碰撞而完成的實(shí)驗(yàn)研究起著取長(zhǎng)補(bǔ)短、相輔相成的作用。

癌癥的診斷與治療

激光驅(qū)動(dòng)的帶電粒子加速器能產(chǎn)生具有高度穿透力的輻射(如X射線或粒子束)，這樣的輻射也可以用于癌癥的診斷與治療。當(dāng)然，X射線在醫(yī)學(xué)診斷中充當(dāng)重要角色已有百余年的歷史。傳統(tǒng)的X射線管通過在陰極和陽極之間產(chǎn)生的一個(gè)電場(chǎng)對(duì)電子進(jìn)行加速，電子在撞上陽極后就急劇減速，釋放出大量的X射線。X射線的分辨率受到X射線源大小的限制(此處的X射線源就是陽極，其直徑通常為100微米)。傳統(tǒng)的X射線機(jī)能夠探查出的最小腫瘤直徑約為1毫米。

超高強(qiáng)度激光器可以將激光直接聚焦于一個(gè)合適的金屬靶上以產(chǎn)生X射線。激光束將金屬表面附近的電子加速到高能量。這些電子在穿過金屬靶時(shí)就減速，同樣發(fā)射出大量的X射線。將激光聚焦于直徑只有幾毫米的點(diǎn)上，就得到一個(gè)極小的X射線源。它能探查到非常小的癌細(xì)胞群，這樣就可以在腫瘤發(fā)展的極早階段對(duì)其進(jìn)行治療。原則上使用激光加速器可以達(dá)到1微米的分辨率(1微米僅比驅(qū)動(dòng)激光的波長(zhǎng)大一點(diǎn))。斯坦福大學(xué)、瑞典倫德大學(xué)以及加拿大魁北克國家科學(xué)研究院的研究小組已經(jīng)演示了這樣的X射線系統(tǒng)。

精確度對(duì)于放射治療而言非常重要。放射治療的目標(biāo)是盡量把輻射集中在腫瘤上，同時(shí)盡量減少輻射對(duì)周圍健康組織的損傷。對(duì)人體敏感部位(如腦或脊椎)中的腫瘤進(jìn)行治療時(shí)，能否把劑量可控的輻射投放在明確界定的極小區(qū)域上具有至關(guān)重要的意義。質(zhì)子和碳離子之類的粒子特別適合承擔(dān)這樣的任務(wù)。與電子和光子不同，這些重粒子在成束以后的橫向散射非常微弱，因此可以始終保持狹窄的形狀。它們?cè)谄湫羞M(jìn)途中能量損失速率非常低，而且十分穩(wěn)定，因此可以把其絕大部分的能量釋放在其路徑的終點(diǎn)。對(duì)于具有給定初始能量的重粒子，其能量的最終釋放發(fā)生在組織內(nèi)的某一確定區(qū)域中。因此，在需要把一定劑量的輻射釋放到深層腫瘤上時(shí)，這類重粒子的精確度遠(yuǎn)勝過電子與光子。

使用質(zhì)子和碳離子束的臨床試驗(yàn)?zāi)壳罢趲讉€(gè)國家展開。然而，廣泛利用粒子治療方法還存在許多障礙，其中之一就是傳統(tǒng)粒子加速器的造價(jià)太高。例如，日本千葉縣的醫(yī)用重離子加速器(heavy ionm edical acce—lerator)造價(jià)高達(dá)3億美元。它每年只能治療200名左右的癌癥患者，用這種療法能夠挽救的患者人數(shù)寥寥無幾。目前激光驅(qū)動(dòng)加速器所能達(dá)到的離子能量只占放療所需能量的五分之一，而且輻射面積過大。但是，如果這兩個(gè)問題能夠得到解決，癌癥的離子放射療法成本就可以大大降低，而相應(yīng)使用這種療法的患者人數(shù)也就增加了。

超高強(qiáng)度激光脈沖的功率相當(dāng)于全世界所有發(fā)電機(jī)的功率總和。將來這一關(guān)系可能會(huì)轉(zhuǎn)過來：這類激光器可能成為核聚變發(fā)電廠的基本組成部分，滿足全世界用電的部分需求。幾十年來，利用可控核聚變技術(shù)來發(fā)電一直是研究人員夢(mèng)寐以求的目標(biāo)，但令人失望的是這一目標(biāo)始終遙不可及。近幾年中開始受到青睞的一種方法是慣性約束聚變(inertial-confinement fusion)，即用數(shù)十乃至數(shù)個(gè)強(qiáng)激光脈沖從四面八方同時(shí)照射燃料丸(如氫的重同位素氘和氚的混合物)。激光將燃料丸壓縮到極高的密度川時(shí)將其加熱到極高的溫度，在這樣高的密度和溫度下，氘核和氚核將聚合起來而形成氦，并釋放出大的能量。勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的巨型Nova激光器就是為此目標(biāo)的研究而配置的主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

臺(tái)式超高強(qiáng)度激光束所產(chǎn)生的總能量還不夠大，無法引起熱核聚變。但是如果與Nova級(jí)的激光器配合使用，它們就有可能大大提高可控核聚變的經(jīng)濟(jì)與技術(shù)可行性。通過壓縮燃料丸來達(dá)到核聚變的點(diǎn)火條件要求內(nèi)爆過程極其對(duì)稱。對(duì)稱性只要有哪怕極微小的一點(diǎn)欠缺，也會(huì)使整個(gè)過程完全失敗，無功而返。勞倫斯利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室的研究人員現(xiàn)在提出了一種新方法——大型激光器仍然承擔(dān)把燃料丸壓縮到高密度這一繁重任務(wù)，但不必同時(shí)使其達(dá)到完全的點(diǎn)火溫度。當(dāng)燃料丸的密度接近其最大值時(shí)，一臺(tái)小型的超高能量CPA激光器對(duì)一個(gè)超短離子脈沖加速，使之撞到內(nèi)爆的燃料丸上。這一脈沖所起的作用類似于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中火花塞的作用：脈沖在燃料丸上產(chǎn)生一個(gè)極其熾熱的點(diǎn)，它引起的聚變波瞬間就傳遍了整個(gè)燃料丸。這種方法將會(huì)減輕單靠?jī)?nèi)爆點(diǎn)燃聚變所提出的高難度技術(shù)要求，并且它也會(huì)大大提高聚變產(chǎn)生的能量與消耗的能量之比。

英國牛津郡盧瑟福艾普爾頓實(shí)驗(yàn)室以及日本大坂大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的研究人員不久前演示了快速點(diǎn)火技術(shù)的某些基本內(nèi)容。但正如聚變研究史上提出的任何一種新方法一樣，此技術(shù)也需要再進(jìn)行大量的后續(xù)研究才能證明它是否具備用于商業(yè)發(fā)電的實(shí)際價(jià)值。無論這一特定的用途是否會(huì)成為傳奇的素材，超高強(qiáng)度激光的發(fā)展前景必定引人入勝，絢麗多彩，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出阿基米德與Diocles最大膽的夢(mèng)想。

《環(huán)球科學(xué)》年度巨獻(xiàn)——

《大腦?？?/span>即將上市