39 ⼈类最终能制造出多强的激光？
What is the most powerful laser researchers can build? 

激光是一种相干光，也就是激光场在时间和空间上的相位总保持一致，从而光波在时空域上的叠加总能保持叠加增强，所以激光最大的特点就是光的强度或亮度非常高。激光经过特殊的相位整合装置（激光器）后被释放出来，由于其单色性和方向性很好，通常以一条很亮的光束或光脉冲沿一个方向输出，如图1所示。

图1 半导体激光器和脉冲激光

激光光束的强度用其单位截面面积上的功率来衡量，也就是用“光束单位时间穿过单位截面的能量”来描述其强度，单位为：瓦每平方厘米(W/cm²) 。而激光束所产生的场强比如电场强度和激光束的强度成正比，单位是伏每米(V/m)，它和激光束强度的关系基本上是1W/cm²的光束可以产生大约1V/m的场强。衡量激光的另一个重要参数是激光器的输出功率，即单位时间输出激光的能量，输出功率越高，输出激光在单位面积上聚集的光强就越强。现在激光器最高的输出功率已经达到了拍瓦的量级(1 拍瓦 = 1 PetaWatts =1 PW =10¹⁵ 瓦)，这基本相当于10万亿个灯泡同时发出闪光的输出功率总和。

根据微波激射器(Maser)的原理，1960年美国物理学家梅曼(Maiman)和兰姆(Lamb)发明了世界上第一台红宝石激光器（如图2所示，该激光器其实主要由梅曼完成，而兰姆是他的博士导师，遗憾的是梅曼并没有因为发明了激光器而获得诺奖，虽然激光器的发明存在很多争议，可参考戴老师的博文：汤斯去世，激光发明争论再起，但主要的原因可能是当初大家认为微波激射器才是重要原创的东西，而激光器只是将激射波长推广到了可见光区域），它能输出波长为649.3nm的红色激光。

图2 梅曼(Maiman)及其发明的红宝石激光器

但这之后激光器及其技术获得了快速发展，激光也迅速成为科学研究的重要工具和工业技术应用的核心。1960年激光发明之后几乎所有和光学领域有关的诺奖都和激光相关，比如1964年的激光原理；1971年的激光全息技术，1981年的激光光谱仪；1997年的激光冷却技术；1999年飞秒激光技术；2001年的玻色爱因斯坦凝聚的激光冷却实现；2005年激光的量子理论和光梳技术；2009年的光纤技术；2014年的超分辨荧光显微镜技术；2018年的光镊和超短光脉冲放大的CPA技术等等。

特别是2018年的诺贝尔物理学奖颁给了杰哈莫罗（Gérard Mourou）与多娜斯崔克兰（Donna Strickland），以表彰他们发明和改进了一种产生超强激光脉冲的技术：啁啾脉冲放大(CPA)技术。该技术的原理（如图3所示）是将激光脉冲在时空上展宽，再放大，然后重新压缩成短脉冲的技术。当脉冲被展宽之后，其峰值功率会大幅下降，这样就可以在不损坏放大器的前提下将脉冲继续放大，之后把脉冲重新压缩得到更高强度的激光脉冲。CPA及其相关技术目前已经成为所有高强度激光器的标准技术。

图3 激光脉冲的CPA技术原理图

自从美国在1996年建造了世界上第一台千瓦级激光器之后，在CPA及其相关技术的推动下，2015年日本大阪大学产生了峰值功率达到2拍瓦的皮秒激光脉冲；2019年美国密歇根大学建造了输出功率在3PW的激光器（3后面跟着15个0瓦）；2015年中国科学院上海光机所产生了峰值功率达5.3 PW的激光脉冲；2019年欧洲罗马尼亚Extreme Light Infrastructure-Nuclear Physics项目记录到超过10PW的激光输出。另外欧洲Extreme Light Infrastructure 计划继续建设两个超10拍瓦量级的激光器，俄罗斯 (Exawatt Center for Extrem Light Studies)和中国科学院上海光机所也都有建造百拍瓦量级激光器的计划。

那么随着激光输出强度的不断提高，就产生了我们前面所提到的问题：人类究竟能产生多高能量密度的激光输出？也就是人类产生最强激光的上限会是多少？

自然界，一对电子-正电子湮灭后会放出一对高能的光子，根据质能关系，这个过程瞬间所释放的能量大约为1.022 MeV，该能量换算成单个光子的能量，光子的波长应在10^-3nm量级，这么短波长的电磁波具有极高的能量，被称为伽马射线(gamma ray)。那么反过来，我们能否产生足够强的激光，其强度能够达到激发真空产生出一对正负电子对的程度？也就是是否只要入射电磁辐射能量在局域能达到1.02 MeV，这种湮灭过程的逆过程（能量转变成物质）是不是就有可能发生？

图4 正负电子湮灭过程及其逆过程示意图

1931年索特(Sauter)就提出了利用强电场产正负电子对的可能性，之后施温格(Schwinger)计算了这种可能性，他利用量子电动力学的理论推导得出当电场强度达到m_e²c³/eħ = 1.32×10¹⁶ V/cm(对应的光强为4.65×10²⁹ W/cm²)时(具体可见参考文献链接), 正负电子对就可以被光从真空中激发出来，他还给出产生正负电子对的概率公式，所以这个过程也被称为施温格效应(Schwinger effect)；但施温格给出的这个光强度的理论值简直太高了；1934年，根据反湮灭过程的动量守恒，布雷特(Breit)和惠勒(Wheeler)提出利用高强度激光脉冲对撞实现高能光子碰撞来产生正负电子对的设想（图4所示），这种过程可以降低激光强度阈值，被称为线性布雷特-惠勒过程(the linear Breit-Wheeler process)。然而目前布雷特-惠勒过程也只是一个理论猜想而没有任何实验结果，因为光子对撞所需要的光强度远远超出目前激光器的水平。我们可以计算一下，可以发现两束激光对撞产生正负电子的阈值光强至少需达到10²⁶W/cm²，即要使激光器的输出功率至少要达到10⁵拍瓦（除产生正负电子对之外对还需要有足够的剩余动能可以让二者克服电荷引力而分开）。而目前最强的激光器的输出功率才刚刚到达10PW（2019年罗马尼亚的Extreme Light Infrastructure-Nuclear Physics项目），可见目前的激光水平离这个目标还有非常远的距离要走。

图5 欧洲罗马尼亚的ELI-NP项目的总部建筑

虽然这个目标看起来很远，但由于光约束核聚变等技术对激光功率和强度的强烈需求，全世界激光器的输出功率每年都在不断提升，通过更加高效快速的频率上转换和脉冲压缩技术可以实现更高频率的激光脉冲从而更大限度地提升激光脉冲的输出功率，目前单个脉冲的输出功率超过100PW的目标估计很快就能实现。另外如果我们采用更多束激光比如100束10 PW的激光脉冲准确地打到一个极小的区域，那我们就有可能很快达到产生正负电子对的激光强度。然而产生这种能激发出正负电子对的超强度激光到底是人类根本不可能实现的美好愿望呢，还是我们只需要时间就能实现的真实目标？