激光：點(diǎn)燃新能源的那束光

寫好報(bào)告，點(diǎn)擊“打印”，打印機(jī)就能輸出一份字跡清晰的紙質(zhì)文稿；走進(jìn)超市，選好商品，在自助收銀臺(tái)掃一掃，價(jià)格便一一顯現(xiàn)；回到家中，打開藍(lán)光播放器放入碟片，坐在客廳里就能享受超高清電影……這些日常生活場(chǎng)景背后都離不開同一種光學(xué)技術(shù)—激光。激光不僅讓我們的生活更便利，也是科學(xué)進(jìn)步的關(guān)鍵，這看似平凡的光束，正在引領(lǐng)一場(chǎng)能源革命，甚至可能改變?nèi)祟惖奈磥?lái)。

那么，激光究竟是什么？它為什么如此重要？讓我們一起走進(jìn)激光的世界，看看這束光是如何走出生活場(chǎng)景，變身為探索新能源的關(guān)鍵技術(shù)。

激光的誕生

我們?cè)撊绾卫斫饧す獾奶匦阅兀肯胂笠幌?，?yáng)光透過窗戶均勻地灑滿整個(gè)房間，溫暖而舒適，如果此時(shí)用放大鏡將散射的陽(yáng)光聚焦于一點(diǎn)，溫度就會(huì)迅速升高，甚至可能點(diǎn)燃紙張或火柴。激光技術(shù)就是通過高度集中光線，將能量壓縮至極小的空間，從而形成一束具有極高穿透力和精確度的光束。

激光技術(shù)的誕生是幾十年理論探索和技術(shù)突破的結(jié)果。1917年，著名物理學(xué)家愛因斯坦提出“受激輻射”理論，為激光技術(shù)的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。1960年，美國(guó)科學(xué)家西奧多·梅曼成功制造出世界上第一臺(tái)紅寶石激光器，標(biāo)志著激光技術(shù)正式誕生。

起初，人們對(duì)激光的潛在應(yīng)用知之甚少，但隨著時(shí)間的推移，激光顯示出了巨大的潛力。它的獨(dú)特性質(zhì)—極高的亮度、單一的波長(zhǎng)、高度集中的能量和極強(qiáng)的方向性，使其在通信、醫(yī)療、科研等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。如今，激光技術(shù)已經(jīng)遍及我們生活的各個(gè)角落，從光纖通信、激光手術(shù)到辦公室的激光打印機(jī)、超市的激光掃碼器，它已成為現(xiàn)代生活中不可或缺的組成部分。更令人振奮的是，激光在科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用正在幫助我們應(yīng)對(duì)全球最緊迫的挑戰(zhàn)之一—能源危機(jī)。

挑戰(zhàn)能源危機(jī)

你可能會(huì)好奇，激光技術(shù)與能源危機(jī)之間究竟有何聯(lián)系？實(shí)際上，由于化石燃料的枯竭和氣候變化的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，人類正在積極尋找替代能源。在眾多潛在的解決方案中，作為太陽(yáng)能量來(lái)源的核心機(jī)制，核聚變展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。目前，很多科學(xué)家正致力于制造“人造太陽(yáng)”，以期利用核聚變?yōu)槿祟愄峁┙鯚o(wú)限且無(wú)污染的能源。利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室耗資數(shù)十億美元于2009年建成的美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF），便是實(shí)現(xiàn)這一宏偉目標(biāo)的關(guān)鍵設(shè)施。

位于美國(guó)加利福尼亞州的NIF擁有世界上最大的激光系統(tǒng)，旨在模擬太陽(yáng)的能量生成方式，即通過核聚變?yōu)榈厍蛱峁缀鯚o(wú)限的清潔能源。NIF配備了世界上最精確且可重復(fù)使用的激光系統(tǒng)，能在十億分之一秒內(nèi)精確引導(dǎo)、放大、反射和聚焦192束強(qiáng)大的激光束。這些激光束能夠精確聚焦到橡皮擦大小的區(qū)域，提供超過200萬(wàn)焦耳的紫外線能量和500萬(wàn)億瓦的峰值功率。

NIF的目標(biāo)是通過激光的強(qiáng)大能量誘發(fā)核聚變，從而在靶材內(nèi)部創(chuàng)造出超過1億℃的高溫條件以及超過地球大氣壓1000億倍的高壓條件。在類似太陽(yáng)核心的極端條件下，氫原子會(huì)彼此融合并釋放巨大能量，最終實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火。所謂點(diǎn)火，是指通過人工裝置產(chǎn)生的聚變能量超過射向目標(biāo)的激光能量。如果科學(xué)家能夠點(diǎn)燃“人造太陽(yáng)”，成功掌控核聚變反應(yīng)，我們將不再依賴有限的化石燃料，在應(yīng)對(duì)全球變暖和能源短缺的挑戰(zhàn)中占領(lǐng)先機(jī)。

然而，點(diǎn)燃“人造太陽(yáng)”并非易事，這不僅需要理論上的突破，更是一項(xiàng)極其復(fù)雜的工程挑戰(zhàn)。在這個(gè)過程中激光扮演了怎樣的關(guān)鍵角色？科學(xué)家在點(diǎn)火過程中遇到的難題又是什么呢？

作為世界上最大的激光裝置，NIF通過將192束激光精確聚焦到一個(gè)微小的靶材上，展現(xiàn)了其非凡的精準(zhǔn)度。試想，如果每束激光都是一支精準(zhǔn)的箭，那么NIF的任務(wù)就是在直徑為10米的靶室中將來(lái)自四面八方的192支箭射中一個(gè)直徑2毫米的目標(biāo)，且要求這些箭以近乎完美的同步性命中靶心。

要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)聚焦，科學(xué)家必須克服重重挑戰(zhàn)。激光在傳播過程中可能會(huì)受到空氣中或設(shè)備中的雜質(zhì)的影響，導(dǎo)致能量損失。為了確保激光束在傳輸過程中保持足夠的能量，NIF的研發(fā)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了復(fù)雜的光學(xué)放大系統(tǒng)，以確保激光能夠攜帶足夠的能量集中到靶材上。為了保證激光傳輸?shù)姆€(wěn)定性和效率，光學(xué)系統(tǒng)中的光學(xué)材料還要保持極高的潔凈度。此外，激光束的發(fā)射需要極為精確的時(shí)間控制。哪怕是微小的延遲都可能導(dǎo)致激光束無(wú)法同步擊中靶材，從而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。為此，NIF的控制系統(tǒng)必須像高精度鐘表一樣精確運(yùn)作，監(jiān)控并調(diào)整每束激光的發(fā)射時(shí)間，以納秒為單位進(jìn)行計(jì)算，確保所有激光同時(shí)擊中燃料球的中心。

雖然面臨眾多技術(shù)難關(guān)，但研究團(tuán)隊(duì)并未退縮。NIF成功地將激光技術(shù)與科學(xué)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，展示了人類在利用激光技術(shù)推動(dòng)能源研究方面的潛力。然而，通向這場(chǎng)能源革命的道路并不平坦。目前，科學(xué)家們?nèi)栽诠タ司圩冞^程中所需的高溫條件和高壓條件，同時(shí)提高能量的凈增益，從而一步步接近點(diǎn)燃“人造太陽(yáng)”的最終目標(biāo)。

探索科技前沿

盡管NIF建設(shè)成本高昂，技術(shù)挑戰(zhàn)艱巨，但其具有深遠(yuǎn)的科學(xué)意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。NIF的成功應(yīng)用不僅有望解決能源危機(jī)，還能模擬極端核物理?xiàng)l件，助力科學(xué)家研究核武器中材料的變化，并為其他科研領(lǐng)域開辟新視野。

在國(guó)家安全領(lǐng)域，NIF在核武器的研發(fā)與維護(hù)中扮演著至關(guān)重要的角色。由于擁有世界上能量最高的激光系統(tǒng)，NIF成為美國(guó)核武器開發(fā)與維護(hù)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，也是核武器戰(zhàn)略規(guī)劃的關(guān)鍵組成部分。其激光系統(tǒng)能夠在靶室的受控環(huán)境中反復(fù)模擬核物理研究所需要的復(fù)雜條件，使科學(xué)家能夠重建和改進(jìn)地下核測(cè)試裝置和策略。此外，NIF激光系統(tǒng)創(chuàng)造的高能量密度條件，可結(jié)合強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)提供的復(fù)雜模擬系統(tǒng)，幫助人們深入理解核武器中各種材料（尤其是超過預(yù)期壽命的材料）在極端環(huán)境中會(huì)出現(xiàn)哪些變化，從而確?？茖W(xué)家安全并有效地維護(hù)現(xiàn)有的武器裝備。

在科學(xué)研究領(lǐng)域，NIF也發(fā)揮著重要作用。比如，NIF的激光束能夠?qū)Σ牧鲜┘記_擊，使科學(xué)家得以觀察這些材料在極端高溫和高壓條件下的變化。這類實(shí)驗(yàn)對(duì)于深入理解行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)、開發(fā)新型材料以及推動(dòng)航空航天工業(yè)的發(fā)展具有重大意義。在實(shí)驗(yàn)中，NIF使用的測(cè)試材料極少，幾乎無(wú)法用肉眼察覺，足見其激光系統(tǒng)的高效性、安全性。

隨著科學(xué)家對(duì)激光誘發(fā)核聚變過程的深入研究，NIF將實(shí)現(xiàn)更加精確和高效的激光實(shí)驗(yàn)，模擬宇宙現(xiàn)象，從而深化我們對(duì)物質(zhì)、能量和宇宙本質(zhì)的理解?？梢?，激光不僅是核聚變的推動(dòng)工具，它還可能顛覆我們的傳統(tǒng)觀念，拓展人類認(rèn)知的疆界。很多科學(xué)家認(rèn)為，這些科學(xué)上的進(jìn)步也會(huì)為解決人類面臨的重大挑戰(zhàn)提供創(chuàng)新的思路和解決方案。

夢(mèng)想和勇氣成就了人類利用激光的傳奇故事。我們相信，隨著技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，激光技術(shù)還將催生出超越想象的全新應(yīng)用，這束光會(huì)在更多領(lǐng)域點(diǎn)亮人類無(wú)盡的好奇心與創(chuàng)造力。

【責(zé)任編輯】張小萌