光纤激光点亮未来粒子加速器
2013年08月21日 来源： 中国科学报 作者： 张冬冬
迟早，这些野心将会陷入困境——除非一些花费彻底便宜下来的新加速器技术得以实现。
在不断发展的高能物理隧道的尽头，光还会是光吗？该领域对更强大加速器的追求正在与社会为其支付费用的意愿相冲突。
高额投入带来困境
瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究组织（CERN）中的大型强子对撞机（LHC）拥有27公里长的圆形隧道，探测器和教堂差不多大，其费用有将近100亿美元。接下来，物理学家想要建造一个31公里长的国际直线对撞机，费用高达250亿美元，并且他们还在探讨建造更大的机器和更长的隧道。迟早，这些野心将会陷入困境——除非一些花费彻底便宜下来的新加速器技术得以实现。然而，一个欧洲物理学家团队在简单的光纤激光器中看到了希望。
几十年前，研究人员就已经知道激光脉冲可以加速带电粒子，但直到几年前，他们才能用该方法产生足够高质量的粒子束。余下需要克服的问题就是数量：能够在合理的效率下，以足够高的重复率产生足够强烈脉冲的激光并不存在。
现在，一些欧洲物理实验室的联盟称，它们可以在不建造一个新的高能激光机器的情况下满足必要的条件。这就需要使用光纤激光器——它们是电信行业的主力，并将其所有的产出结合成为一个超级粒子束。在欧盟为其长达18个月的试点项目投资50万欧元后，这些实验室使用64个光纤激光器顺利合并光束。如果欧盟下一个7年研究预算允许（目前尚未敲定），他们希望用成千上万个光纤扩展建成一个全尺寸的激光器。
循序渐进的尝试
物理学家不仅到达了国家预算的极限，同时也到了技术的极限。为了寻找新的物理现象，他们最终会加速轻子——比如电子和正电子——至超过5TeV（5万亿电子伏特）的能量。不过，若想使用今天的技术到达这一步，将耗费数百兆瓦（MW）的电力，相当于一个中型电站的所有输出。“没有技术可以为超过5TeV的轻子对撞机服务。”法国原子能委员会实验室的Roy Aleksan如是说。其难题在于，目前用于加速离子的无线电波无法提供足够大的动力，因此需要大量连续的微波腔以达到高能量。而这些微波腔并不能很有效地将插接电转化为电子束功率。
30多年前，美国加州大学洛杉矶分校的John Dawson和Toshiki Tajima提出了一个截然不同的策略：在激光激起的等离子体中对粒子进行加速。等离子体本质上是一种带电粒子（离子和电子）的气体。如果一个高能激光脉冲发射到等离子体中，激光的电场会排除那些很轻的电子，而更重的离子则很少移动，其尾流中就会有缺乏电子的正电荷泡沫，随后会出现一个负电荷（在电子重新涌入时形成）区域。结果就会形成一个和脉冲前进方向平行的强大电场。这种“尾流电场”可以大幅加速电子——来自等离子体的电子或是专门注入其中加以利用的电子。
当Dawson和Tajima提出这种尾流电场加速技术时，激光脉冲还无法足够短促有力。不过，20世纪80年代中期罗彻斯特大学的Gérard Mourou和Donna Strickland发明了啁啾脉冲放大（CPA）技术。通过该技术，研究人员可以得到10~100GV/m（GV/m为十亿伏每米）强度的尾流电场，比传统的射流加速（10~50MV/m）的能量强度要高3个数量级。不过粒子物理学家并没有严肃对待这种技术，因为它生产出的是质量差和低亮度的粒子束。
然而，2006年，加利福尼亚的伯克利国家实验室在仅仅3.3厘米长的等离子管道中创造出了一个高质量的1-GeV（十亿电子伏特）电子束时，怀疑者们开始对其刮目相看。2009年，国际未来加速器委员会和国际超高强度激光委员会设立了一个联合工作组，旨在调查这些新型激光技术如何帮助加速器的发展。在2011年发表的报告中，工作组草拟了一项计划——使用成百上千个激光等离子体模块构成的正负电子对撞机来加速粒子。该机器将比现在的加速器小很多——不过几千米长——而且很可能成本要小得多，而它将能够达到1到10TeV的能量。
光纤激光器登场
不过必要的激光器仍然不存在。尽管CPA使研究人员创造了具有足够高峰值功率的激光脉冲，但这种激光器通常会一秒一次地进行发射，对于产生强烈的粒子束来说过于缓慢。对应TeV数量级加速器的激光器需要每秒产生数以千计甚至数以百万计的脉冲，以避免巨大的能量消耗，同时还需要高的功率转换效率。“这就需要使其整体得到提高：高峰值功率、平均功率和效率。”Aleksan称。
该报告提出了一个长期的研发项目来开发必要的激光器。不过，目前在巴黎高等理工学院工作的Mourou有一个更好的想法：使用一个在电信行业中很普遍且便宜的工具，即光纤激光器——仅仅是掺杂了镱的光纤。在加入其他来源的光后，光纤激光器可以在高效率下以高重复率产生粒子束。而它们所缺少的是产生超短、大功率脉冲的能力。
因此，Mourou提出，联合成千上万个光纤激光器的产出以创造一个可以驱动TeV加速器的光束。该系统会通过从种子激光器中获得短脉冲、将脉冲拉伸并在大量光纤激光器中放大来进行运作。之后这些脉冲就会重新组合成一个单独的光束，并被压缩产生短的、大功率的脉冲，再将成千上万个光纤激光器产生的脉冲组合成为一个单独的光束。所有的光束都必须很精确地处于各自的相位，否则一些光束会破坏性地干扰其他光束，从而减弱最终形成的光束的能量。“人们觉得这很疯狂。”Mourou称。
Mourou促成了国际相干放大网络（ICAN）与CERN、英国南安普顿大学、德国弗劳恩霍夫研究所的同行的合作。在一年半的研究后，他们表示这种相干组合可以实现。在其于今年早些时候完成的最终验证中，他们将64个光纤激光器组成8×8的方阵，使其光束平行出现。在允许光束可以轻微重叠的前提下，研究人员能够观测到每个光束和离其最近的4个相邻光束的干涉模式。摄像机记录了这些模式，在检测了相位中的任何差异后，一个反馈回路会回到有问题的光纤激光器中，并立即调整相位恢复正常。
检测并调整一个粒子加速器所需要的约3万个光纤激光器是十分艰巨的任务——Mourou认为其艰巨程度相当于设计欧洲极大望远镜所遇到的挑战。不过ICAN的验证证明了这一原理的可行性。
ICAN项目吸引了其他看到高峰值功率和快速脉冲激光器希望的组织的注意。相同的技术可以为被称作自由电子激光器的一种X射线光源提供低成本的电子束来源；还可以提供癌症治疗的质子束以及医疗同位素。“ICAN项目预示着在基于激光和等离子体的粒子加速领域的一场革命。”俄罗斯罗蒙诺索夫莫斯科国立大学Skobeltsyn核物理研究所的Alexander Pukhov如是说。
在该项目的技术应用于其他领域之前，Mourou和其团队需要证明他们可以建造一个具有所需功能的全面的激光器。如果下一个欧盟研究预算可以提供他们所需的300亿欧元资金，他们也许可以说明其原理论证是否预示着粒子物理学的光明未来，还是仅为昙花一现。“他们需要开发出一个加速器。”Aleksan说，“然后人们就可以说‘这正是我们可以使用的东西’。”（张冬冬）
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