瞬息巨變–超快雷射與超強電磁場
94/06/08
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汪治平｜
中央研究院原子與分子科學研究所（演講人）
李健成｜
《科學發展》特約文字編輯
雷射起源於原子的發光
雷射是光學原理的一種應用，但是究竟要怎麼樣才能從普通的光線變成雷射？這就得先了解原子發光的原理。一個原子從高能階降到低能階時，會放出一個光子，叫做自發放光。原子在高能階時受到一個光子的撞擊，就會受激而放出另外一個相同的光子，變成兩個光子，叫做受激放光。如果受激放光的過程持續產生，則所發出來的光子便會越來越多。只要我們把高能階的原子數量控制在高於低能階的原子數量，那麼受激放光的過程就會持續產生，這種控制原子受激放光的裝置我們稱它為「光放大器」。
我們也知道，光線發射出去時是以光速朝各個方向前進的，為了讓產生的光線能夠被收集起來並持續放大加以利用，則必須利用叫做「共振腔」的設備，把由光放大器所產生的光線用反射鏡局限在一個特定的範圍內，讓光線可以來回反射，且由於光放大器所產生的光子是相同的，所以行進的方向也會相當一致。透過共振腔的作用，能讓光線行進的方向完全相同，也就是說擁有跟共振腔相同方向的光線才會被放大，其餘不同方向的光線都不會放大，這是產生雷射的首要條件。
共振腔還有另外一個作用，那就是限制雷射的頻率。光線要在共振腔產生共振必須符合 L = nλ／2 的關係（L是共振腔長度，λ是波長，n是固定倍數），所以並非所有頻率的光線都可以在共振腔中產生共振，而是只有符合這規則的才會產生共振。不過，共振腔的長度（L）可以長達數公尺，而光的波長（λ）卻是以微米為單位，這兩者之間相差了100萬倍，也就是說符合條件的n範圍相當大，而非只有單一頻率。可以同時發出這麼多頻率的光，就給了我們建造脈衝雷射的條件。
飛秒雷射脈衝的產生
單一頻率的雷射持續性的發光，其振幅不隨時間改變。但如何製造出雷射脈衝呢？把兩個相位相同、頻率不同的波相加，就會產生所謂的拍頻，加強性干涉的部分就會大幅增強，相消性干涉的部分則會互相抵銷。愈多條相位相同、頻率不同的波相加時，產生的拍頻也就愈短，尖峰的強度也愈大。
但是，若把不同相位的光線彼此相加，則不會有這樣的效果，而只會產生一個帶有擾動的連續波。我們每天看到的太陽光，正是各種頻率、相位的光線任意混合相加的結果。
在談飛秒脈衝之前，先要了解何謂飛秒（femto second, fs）。1飛秒等於10－15秒，若換算成比較容易理解的時間概念，1秒跟1飛秒的比例大約相當於3千萬年跟1秒的比例，也因此飛秒雷射又被稱為超快雷射。
要讓雷射產生如此短的脈衝，必須同時符合諸多條件。首先，雷射放大器本身要擁有寬頻的雷射介質，這樣它才有辦法放大各種頻率符合前述公式的雷射。目前最新的雷射介質是一種叫做「摻鈦藍寶石晶體」的材料，這是在1988年才由美國軍方解密的材料。由於這個晶體可容納的頻寬相當廣泛，在1.5公尺長的共振腔中大約可以放大100萬個等間隔頻率的光線，如果這些光線能有相同的相位，干涉效果可以把光波加強成100萬倍的強度，而脈衝的長度則縮小了100萬倍。
其次，要有脈衝壓縮機制。雷射光線在聚焦的過程中，由於光學克爾效應的關係，高強度的光線會更加地增強其效果，但其他低強度的部分則會被額外裝置的光圈所阻擋，喪失其效用。在這樣的裝置之下，雷射的高強度部分被放大得比較多，會越來越強，自然就能產生高強度短脈衝的雷射光。
最後，要具有腔內色散補償的功能。大家都知道，在介質中不同波長的光線速度並不相同，折射率也不同，透過三稜鏡折射出來的七彩光線就是最明顯的例子。光線通過介質時，也會產生不同的折射，但要產生飛秒脈衝，卻不允許這些光線各自為政、各走各的路，所以要把這些不同波長的光線經由稜鏡的作用補償它們的光程差，才能達到所需的加強性干涉的效果。
中研院研發飛秒雷射
不過，以上面過程所製造出來的飛秒雷射功率並不夠強大，必須再經過放大，才能產生足夠威力的飛秒雷射。
要放大飛秒雷射，最基本的條件自然也得有寬頻雷射介質、色散補償等技術，且在放大功率時還得防止非線性效應的產生。防止的方法是採用線性變頻放大的技術，也就是先把原本產生的飛秒雷射，透過延展器把脈衝拉長為4,000倍後，再利用放大器放大到放大器所能承受的飽和程度，最後再把脈衝壓縮4,000倍，就可以讓飛秒雷射的功率提高，而不損壞放大器。
目前中央研究院自行研發的飛秒雷射功率高達10兆瓦，它的前端是25飛秒的振盪器，接著的再生放大器可以放大200萬倍，二級放大器與三級放大器則可以把原本產生的雷射功率放大20億倍。這樣的雷射光束聚焦之後，可以局限在4～8微米的範圍內。
不過，這些數字究竟代表什麼意義呢？當中研院的飛秒雷射主脈衝聚焦之後，瞬間產生的功率相當於1,000個核能電廠的總和，照度則等於正午陽光的4 × 1020倍，磁場則等於地球表面磁場的10億倍，電場則是等於氫原子內部電場的30倍，光壓則是太陽中心壓力的十分之一。若是照射到固體的表面，則會產生如同太陽中心的1,000萬度高溫，更會對電子造成3 × 1023 G的重力加速度。這些都是在實驗室裡前所未有的極端情況，產生和控制這些極端情況，使我們得以把物理研究的前沿大幅推進。
強場物理
既然飛秒雷射擁有如此龐大的瞬間功率，它又可以應用在那些研究領域呢？一個最簡單的應用是高解析度的Ｘ光攝影。當使用一個兆瓦級的雷射照射一個金屬表面時，由於雷射的超強電場會加速電子，這些電子撞擊到周遭的原子之後便會產生Ｘ光。傳統的Ｘ光攝影由於電子束無法聚焦到很小的程度，因此解析度只能達到毫米尺度，而利用雷射聚焦產生的Ｘ光束就可以產生微米尺度的解析度，對於拍攝微小的結構，包括初期的腫瘤等，有更好的效果。
美國的國家實驗室Lawrence Livermore National Laboratory在2000年時，利用雷射所產生的50萬大氣壓力的強大光壓，把氘氣擠壓成為金屬狀態，傳統的加壓技術無法達到這個程度，但現在利用強場雷射卻可以輕易地達成。
此外，雷射所推動的高速電子流可以產生極為強大的環形磁場，比目前能製造出來最強磁場的超導磁鐵的磁場高出數千倍，若繼續加強電場，則可以在真空中產生正負電子對，透過干涉儀觀察極化的真空狀態，可以更加深入地研究量子力學的基本理論。
如果讓兆瓦級的雷射和高速電子束迎面撞擊，由於這時雷射會以為高速前進的電子束是一面高速前進的鏡子，在都卜勒效應的作用下，1.5 GeV的電子會產生30 MeV的伽瑪射線。這樣的伽瑪射線具有可調頻率且同方向前進的特性，可以觸發核反應、製作同位素，甚至用來研究元素形成的途徑。
Ｘ光雷射的研究與應用
傳統的雷射範圍從紅外光延伸到紫外光，當使重原子游離很多個電子之後就會產生類氖離子，其能階非常大，足以用來產生Ｘ光雷射。高能量的飛秒雷射能夠在很短的時間內使原子多重游離，是激發Ｘ光雷射的利器。Ｘ光雷射可以讓晶片的製造達到更細密的結構。另外，擁有狹窄頻譜、高效率、高解析度的Ｘ光雷射也可以應用在顯微鏡上，大幅提高解析率。而且，也可以利用Ｘ光雷射開發光電子能譜顯微技術，讓我們觀測到瞬間結構與化學反應。
雷射電子加速器
傳統的電子加速器相當巨大而且昂貴，例如在歐洲核子研究組織（European Organization for Nuclear Research, CERN）的環形加速器，其周長即達27公里的規模。
為何需要如此巨大的身材呢？因為傳統電子加速器的材料崩潰極限是108 V／m，為了要得到強大的加速電場又不讓材料崩潰，加速距離必須很長。目前大型加速器建造和維護的費用似已達到社會願意負擔的極限，然而科學的持續發展有賴於更高能量的加速器，因為加速器的能量越高，才能夠探索越微小的範圍，研究物質更基本的結構和交互作用。目前正在積極發展的「雷射電子加速器」，目的就是為了大幅縮短加速距離。
飛秒雷射所產生的電場相當驚人，如果把10兆瓦的雷射聚焦到10微米的光點時，產生的電場可以高達1013 V／m，遠遠超過傳統加速器108 V／m的極限，等於把1公里的加速器產生的效果縮小到1公分的範圍來運作。目前發展的方向之一是「雷射尾波電子加速器」，它是利用高功率的雷射穿過電漿導波管，電子會因劇烈的振盪而產生一個電漿尾波（如同一艘船高速通過一片海域所引起的波浪），這時候位置剛好的電子就可以順著電漿尾波高速前進，這樣等於1公里的傳統加速器只要1公尺的電子加速器即可達成相同的效果。
目前，科學家更在實驗室中利用這種強大的電場，進行反物質的產生和黑洞輻射的研究，相較於微弱且不可控制的天文觀測，這方面的實驗若可以成功，不管是在物理學還是天文學，都會是一大進展。
雷射導引閃電減低災害
除了實驗室中所進行的高深研究之外，我們還可以透過雷射來導引閃電，減低災害。若我們把雷射投射到空中，由於聚焦跟散焦之間達到平衡時會形成一個導波管，導波管中的電漿就可以讓雲層中的電荷順流而下，消弭可能的雷擊損害。
雷射與未來能源
近來國際原油價格上揚，以現有的各種能源來估算，大約在百年之內就會遭遇到能源短缺的危機，這對整個人類文明的進展是一個極大的威脅。就算化石原料不短缺，燃燒大量的化石原料所產生的溫室效應或其他環境污染問題，也讓我們有所顧忌。目前比較看好的太陽能電池發電效率可以達到20％，但臺灣若要依靠太陽能發電來滿足需求，必須把全臺灣四分之一的面積覆蓋上太陽能電池，不但土地的取得非常困難，如何維護這麼大面積的太陽能電池更是難以想像。因此，利用核融合反應來產生所需的能源，似乎是一個最有效、最清潔的方式。
既然如此，為何核融合發電目前還不能發展出來呢？雖然核融合所需的原料—氘元素，可以從海水中取得而完全不虞匱乏，但是核融合需要在高密度的條件下，以很大的動能產生反應。傳統的方式是以高溫取得動能，並利用長時間的多次碰撞彌補密度的不足。這個方法有一些困難的問題需要解決，一是反應時產生的大量輻射損失，另外是如何把溫度這麼高的粒子長時間局限在特定範圍。
若是用雷射控制核融合發電，則有許多優點。其一，可以利用加速的效果取得動能。另外，可以用雷射造成的強大光壓壓縮燃料，而燃料的密度提高後，也就可以加快反應。最後，就是利用慣性來達到局限粒子的效果，讓粒子還沒觸及到反應爐屏障之前就作用完畢。
不過，目前這些研究都還在進行中，還沒有辦法達到實際應用的階段。科學家所面臨的挑戰是如何有效地壓縮燃料和點燃反應，在這些問題上高能量雷射能夠提供最好的前景。另外則是如何讓發出的能量直接轉換成電能而不是熱能，有些核反應只產生帶電粒子，但是所需要的反應條件更為艱難。
從基本原理看來，這些問題都可以解決，只要繼續發展雷射技術，取得對於帶電粒子的集體控制權，以核融合產生能源一定可以達成，人類持續發展所遇到的困境也會得以突破。
