除了光刻機,激光還有什麼用?

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  9月21日,英偉達創始人兼CEO黃仁勛在接受國際媒體採訪時,說了這樣一句話:

  「摩爾定律結束了。」

  也就是說,晶片中集成的晶體管數量沒辦法像過去一樣保持每18個月翻一番,同時價格下降為之前的一半。

  這背後,不僅是晶圓價格上漲,還有一個重要原因,先進制程光刻機技術也到了天花板

  目前,全球最先進的光刻機是荷蘭ASML生產的EUV光刻機。最新一代的High-NA極紫外光刻機,預計會在2024—2025年交付。

  然而,ASML首席技術官Martin van den Brinki表示,「多年來,我一直懷疑 high-NA 將是最後一個 NA,這種信念沒有改變。」

  而一種先進技術一旦停滯,迭代放緩甚至停滯,往往會出現「技術封鎖」

  2020年的9月15日,美國對華為的晶片制裁正式生效。發酵的輿論將一種制造高端晶片的設備——光刻機,引入了大眾視野。

  被美國制裁後,華為空有高端晶片——麒麟的設計方案,卻無法把它生產出來。

  關鍵就卡在了光刻機上。

  光刻機被譽為人類工業皇冠上的明珠,全世界只有荷蘭、中國、日本、美國、韓國等少數幾個國家能制造,但只有荷蘭的光刻機能生產幾奈米制程的高端晶片。

  2022年第一季度,華為手機的銷量已經跌出了國內前五,跌到了世界第九。短短一年多的時間,華為成了國人見證高端科技被卡脖子後果的典型

  光刻機就是用光作刀,在矽片上雕刻出晶片結構的機器。

  光的波長越短,所能雕刻的電路尺寸越小,晶片上的晶體管越多,性能也就越高。

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  (補充:UV 10-400nm, DUV 200-280nm, EUV 10-120nm)

  中國國產光刻機目前能成熟量產的晶片制程為90奈米,這種級別的晶片可以滿足電話、電視、機頂盒等產品的需求,但對於如今的電腦、手機來說遠遠不夠。

  用在電腦裡的英特爾公司設計的第12代酷睿晶片制程為10奈米,被美國制裁的華為設計的麒麟990晶片制程則只有7奈米。全世界只有荷蘭阿斯麥爾公司生產的光刻機能造出它們。

  為了制造這類晶片,需要用到一種波長僅為13.5nm的光,這種波長極短的光叫做極紫外光(EUV)。而為了產生這種極紫外光,需要用到另一個東西,那就是激光

  對現代人來說,激光似乎並不是一個新鮮的事物。

  在大多數人的印象裡,激光是一束細細的紅光,這大概是由於大家對它的記憶點維持在老師用的激光筆上。(不過,激光也可以有其他顏色)

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  光盤機裡有激光頭、治療近視有飛秒激光、切割金屬有激光刀,軍隊還列裝了摧毀導彈的激光武器。

  從日用到醫療,從工業到武器,哪都有激光,連三流的科幻片都不屑於拿激光當噱頭。

  那麼,激光到底是個什麼東西,控制它的到底難還是不難?

  「摩爾定律結束了」,光刻機也即將迎來技術終點,激光技術還有其他有價值的應用場景?

  

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  提起激光,首先繞不開那個穿著女士涼鞋的地球最強男人。

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  1916年,愛因斯坦發表了論文《關於輻射的量子理論》,首次提出受激輻射的概念。指的是處於高能級的原子在受到入射光子的刺激後會躍遷到低能級,並釋放出兩個與入射光子同等能量的光子

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  在此之前,學界隻知道自然界中存在光子的受激吸收與自發輻射過程。

  要想理解這一物理過程,可以想像一個兩邊長度不對稱的蹺蹺板,長的一邊落在地上,短的一邊翹在空中。

  蹺蹺板的長邊上坐著A。此時,蹺蹺板與A可被視為處於基態的原子,蹺蹺板是原子核,A是核外電子。

  A本來好好地坐在那裡。突然,一個唱、跳都不錯的B打了一把籃球,完事兒還把球扔給了A。

  球的沖擊力一下就把A帶到了翹到空中的短邊上。此時,A的位置更高,但卻不穩定。蹺蹺板與A可被視為處於激發態的原子,這種從基態受沖擊到達激發態的過程便是受激吸收。

  處在這個位置A可是戰戰兢兢如履薄冰,因為下面好多B的粉絲C們在圍觀叫喊:「你以為你很美嗎?怎麼能拿B的籃球?」

  這時,一個C又搞了個新球,嗖的一下扔向了A。A很害怕,因為就算C不扔新球過來,他也想把手裡的球扔出去,好通過反作用力回到更安全的基態。

  如果他在C扔球過來前就把B的球扔出去,並回到了基態,這個過程就叫做自發輻射

  如果A還在激發態的時候,C已經把新球扔過來了,那A得把兩個球都扔出去才能安全回到基態。在C看來,他對A扔過去一個球,卻從A那裡得到了兩個球,球量加倍,這就叫受激輻射。

  對應到微觀層面,處於激發態的高能級原子通過受激輻射回落到低能級,在此過程中發出的光子是輸入光子的兩倍,這種過程被稱為光放大

  光放大是產生激光的前提,這意味著想要產生激光,必須要有大量處於高能級的原子發生足夠多的受激輻射過程。

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  從另一個方面看,激光完全是量子效應的產物,因為想要出現受激輻射,入射光子的能量應正好等同於原子所處高低能級之間的能量差,這種分立的能級是量子世界的固有性質。

  從理論上提出受激輻射的概念,到實驗上真正發現受激輻射過程,再到利用受激輻射產生激光,這之間過了四十多年。

  一般情況下,原子多處於更穩定的基態,處於高能級的特別少。因此,受激輻射過程的占比遠小於受激吸收和自發輻射,不能實現光的放大。

  為了使受激輻射占主導地位,需要使高能級的原子遠多於基態的原子,這種情況被稱為粒子數反轉

  1951年,美國物理學家查爾斯·湯斯(Charles Townes)想到了在氨分子裡實現粒子數反轉的方法。

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  氨分子是個二能級系統(只有基態和一個激發態)。實驗發現,無論如何操作,氨分子中處於基態和激發態的粒子數都趨於平衡,無法實現粒子數反轉。

  查爾斯想到了一個取巧的辦法,他利用外加電場使一部分氨分子電離並處於激發態,再通過磁場把處於基態的氨分子和處於激發態的氨分子區分開來。之後,他將激發態的氨分子註入到一個柱形空腔裡。

  這個空腔被稱為諧振腔,它由兩塊平行放置的平面鏡組成,其中一個是全反射鏡,可將光完全反射;另一個是允許小部分光通過的部分反射鏡。

  此時,諧振腔裡幾乎全是激發態的粒子,粒子數反轉由此實現。

  在電場作用下,處於高能級的氨氣分子發生受激輻射後,會發出被可見光頻率更低的微波。此時,偏離軸向運動的波會直接溢出,而沿著軸向運動的波則在兩個反射鏡之間來回反射。

  這種「篩選」過程既能累積誘導發生新的受激輻射(能量來自於來回反射的波),又保證了最終輸出微波的準直(方向)性。這些保留下來的波之間也具有一種特殊的關係,也就是——相關性

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  相關性是個專業詞匯,可以簡單理解為一致性程度。

  比如,你可以蹲在湖邊,雙手同時攪動湖水。如果風平浪靜,且兩手的動作完全一致,那麼攪動產生的的兩輪水波便是相關的。

  中學物理有個楊氏雙縫干涉實驗。將同一光源發出的一束光分成兩束,它們傳播一段距離再相遇後,振動頻率和波形仍然相同,此時的它們便是相關光。

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  一束激光在傳播很遠距離後,幾乎不會出現明顯的發散情況,這種強聚焦性背後的原理就是空間相關性

  相關光之所以特別,因為它們能「相互成績,變得更強」

  激光便是由無數相關光組成的「最快的刀」、「最準的尺」、「最亮的光」。

  激光的英文原意是「受激輻射導致的光放大」(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation),1959年,哥倫比亞大學的高登古爾德(Gordon Gould)首次提出了LASER(激光)這個名詞。

  不過,在1959年之前,「激光」設備就已經出現了。

  

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  基於相關性,1953年,查爾斯造出了世界上第一臺微波放大裝置,該裝置利用激發的氨分子發生受激輻射來放大頻率約為24 GHz的微波。

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  這裡的氨氣也被稱為增益介質,它本質上是提供大量可發生能級躍遷的粒子,並產生電磁波放大的物質。

  微波放大裝置或稱微波激射器(MASER,Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation)是激光的前身,它可被用作原子鐘的計時裝置,或射電望遠鏡、深空太空器與地面站通訊的信號放大器。

  MASER和激光(LASER)的名稱雖然不同,但本質上是一類東西,因為光和微波都是電磁波。

  在發展MASER的過程中,科學家找到了另外一種更為合適的增益介質來替代氨氣,那就是紅寶石

  紅寶石由三氧化二鋁中摻有少量鉻離子制成,它是常溫固體的,機械強度高,體積小巧,用起來更方便。

  此外,鉻離子有三個能級,當它被激發到E3能級時,壽命非常短,它們會很快跌落到E2能級。

  E2比E3能級更低,鉻離子停留的時間也相對更長,這導致鉻離子從E3到達E2的速度比離開E2回到基態E1的速度快得多,從而使處於E2的鉻離子數大於處於基態的鉻離子數,粒子數就反轉了。

  這種利用時間差而不是磁場來制造粒子數反轉的方式更為便捷穩定。

  既然制造MASER的技術越來越成熟,也是時候造一個可見光波段的激射器了。於是,科學家順理成章低把目光放到了紅寶石身上。

  但是,同為MASER發明人之一的的亞瑟·倫納德·肖洛(Arthur Leonard Schawlow)認為,紅寶石放大微波可以,但它的光電轉換的量子效率極低(不到1%),就很難產生激光。

  權威的力量是巨大的,學界也都不看好紅寶石的應用。於是大家只能去找新的增益介質,氣體、固體、液體什麼都有。

  到50年代末已經把MASER可適用的波段推到了30千兆赫茲,但離可見光的最低頻率還差整整四個量級,然後有人斷言說不可能造出激射可見光的裝置。

  這個時候,為美國軍方研制太空微波紅寶石激射器的西奧多·梅曼(Theodore Maima)站出來了。他決定測一下紅寶石的量子效率,這一測沒關係,結果發現阿瑟說得不太對!在熒光作用下,紅寶石光電轉換的的量子效率實際高達75%。

  這也就意味著用紅寶石作增益介質來產生激射的可見光是可以的!

  接下來的發展就比較順利了,他用高強熒光燈作為泵浦源,為增益介質——紅寶石棒提供能量,將其中的鉻離子從低能級提升到高能級,為受激輻射做好準備。

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  藍色燈管為泵浦源

  紅寶石兩端同樣有兩面鏡子,它們共同組成諧振腔,激光由此醞釀發出。到此,世界上第一臺激光器——紅寶石激光器終於誕生

  1960年5月16日,梅曼按下激光器開關,射出第一束紅色激光,持續了三億分之一秒,亮度是太陽表面的百億倍,連梅曼紅色色盲的助手都看到了紅色

  大家一看,繞了半天,原來這條路是可以的,於是,對激光器的研制終於開始井噴了。

  僅僅過了一年,中國第一臺激光器——小球照明紅寶石激光器在中國科學院長春光學精密機械研究所誕生,而且有更好的激發效率。這表明我國激光技術當時已達到世界先進水平,設計師王之江教授成為了「中國激光之父」

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  回頭來看,激光的發明並不是一件容易的事,而這也註定了其天生不凡。由相關光匯聚而成的激光具有超越普通光線的物理特性:相關性、亮度高、單色性好。

  無論是用作工具、武器還是顯示、通訊載體,都屬於降維打擊。

  激光的亮度高意味著高能量,而且可以聚焦到極小的光斑,從而實現精準的激光切割、光刻,乃至核聚變等等

  軍事上,以二氧化碳氣體為增益介質的激光器可以用來切割堅硬的金屬或非金屬材料,以氧碘、氟化氫等氣體為增益介質的化學激光武器已經可以做到摧毀衛星、攔截導彈

  1968年,第一代激光制導炸彈「寶石路」在越南戰場投入使用,憑借激光精準的導引能力,平均13枚就能摧毀一個大型軍事目標,而換成普通炸彈,可能需要地毯式轟炸幾千枚

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  激光的單色性指的是顏色純度高,光譜分布狹窄。與之相比,陽光、燈光等光線具有很寬的頻率(顏色)分布,它們所表現出的「自然光」特征正是各種顏色混雜的結果。

  單色性好的激光在光纖通訊中具有很大的優勢,因其頻率範圍窄,資訊傳輸時的噪聲也小,可以在傳輸很遠距離的同時擴大通訊容量。目前,只有一種振蕩頻率的單頻激光器可以把十幾萬路的通話傳輸到一百公里之外。

  而用激光做顯示,成像效率高、光學性能穩定,相比其他光源顏色更純正、亮度更均勻、色彩範圍更廣,光源控制更精確,不受干擾。

  人眼能分辨自然界100萬種顏色,液晶螢幕只能覆蓋其中60%,源頭上決定了普通電視畫面再清晰也有失真感,而激光顯示卻能達到90多萬種顏色,能夠更準確還原人眼中的自然色彩。

  激光作為一種萬能工具,不把它的所能所長利用殆盡好像都對不起它那玄妙的威力。

  於是,人們用它來激發出能蝕刻晶片的極紫外光(EUV)。有了波長極短的極紫外光,人們造出了制程僅為幾奈米的高端晶片。

  在EUV光刻機中,以二氧化碳為增益介質的激光器以極高的頻率發射高能激光脈沖,這些激光會轟擊呈液態滴落的金屬錫。錫液滴受到轟擊後,溫度急劇上升到幾十萬度,之後它們會轉變成另一種物質形態——電漿

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  電漿中的大量離子都處於高激發態,其內部處於高能級的電子會通過自發輻射墜落到低能級,輻射產物便是13.5nm的EUV

  如果說EUV是雕刻晶片的刀,那激光便是鍛造出這把神兵的錘子與烈火。

  事實上,高溫同步輻射或高強度的電流也能被用於產生EUV。不過,由於晶片生產過程的高標準與高要求,目前只有依靠激光產生的EUV才能擔當大任。換句話說,激光是人類造芯的唯一選擇。

  另外,激光不僅能充當造刀的工具,它自己也可以化身為刀。在EUV光刻技術出現之前,準分子激光光刻一直是光刻技術的最前沿。

  準分子激光器以惰性氣體和鹵化物氣體為增益介質,目前占市場主導地位的深紫外(DUV)光刻用的「刀」——波長為248 nm的氟化氪 (KrF) 激光和波長為193 nm的氟化氬激光 (ArF),便是出自於準分子激光器。

  自準分子激光技術誕生以來,它一直是晶片摩爾定律持續推進的關鍵因素。毫不誇張的說,沒有激光的誕生,晶片以及整個資訊產業就不可能發展到如今的水平。

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  為了在光刻領域占據絕對的領導地位,2012年,ASML斥巨資收購了美國的Cymer公司,後者是制造準分子激光光源的執牛耳者。將光刻之源的技術牢牢地抓在自己手裡,為ASML成為光刻領域世界霸主奠定了強大基礎。

  當然,激光系統只是國外光刻機技術壁壘的一部分,中國想要獨立造出高端晶片,需要用到很多人、很多錢、好多年去攻克一個又一個技術壁壘。它是個任重道遠的目標,但我們別無選擇。

  基礎科研也一樣。

  

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  高能物理是人類探索宇宙規律的最前沿,但為了能把研究進行下去,需要建設體積越來越大、成本飛速上升的對撞機。關於它的背後原因,感興趣的觀眾可以看看我們之前的內容。

  黑科技還是末日機器?重啟粒子對撞機意義安在?

  很多人反對國家大力投入來支持未來大型對撞機的建設,最主要的原因起身是成本投入問題,甚至是科研資源的爭奪。

  但搞科研的畢竟都是體面人,大家看透不說透。開會時打個照面握握手,拍個合影稱朋友,轉過身去我該懟你還是懟你。所以說,吵架是吵不出結果來的,解決問題靠的不是非得拼個你死我活,而是要找方法。

  什麼是好方法,能讓大家都過得好的方法就是好方法。

  激光就是好方法。

  對撞機之所以越建越大,是因為粒子加速越快,能量越高,相互撞擊時碎裂得也就越徹底,科學家就越有可能窺探到底層規律的奧秘。

  在目前的技術手段中,加速粒子靠的是電磁能,將其粒子路徑折彎在圓環內運動。

  於是,為了提升能量,要麼提高加速度,要麼增加加速距離。

  考慮到加速度太快圓環結構承受不了,只能提升加速距離,而隨著能量的增加,彎折它所需的磁場強度也將超出人力極限,圈也不能太小,唯一辦法只有延長加速環,減少彎曲程度,提升加速器的尺寸這一條路,結果是高能物理設施越來越大。

  為了結束這個惡性循環,激光加速粒子的技術早就被提上了日程。

  該技術自1979年被兩位美國物理學家提出後,經過四十多年的發展,已經取得了不少進展。

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  尾波這個名字有些奇怪,想要理解它,需要結合下面的物理過程。

  一束強激光脈沖在電漿內部傳輸時,會對帶電粒子產生推進作用(源於有質動力)。

  電漿中的電子在激光穿過的瞬間會偏離原來的平衡位置。質量較大的離子則基本靜止,從而在離子和偏離的電子之間出現電場。

  該電場對電子產生吸引作用,激光穿過該區域後,電子會回到平衡位置,並形成交替往返的振蕩運動。最終,激光脈沖的尾部會形成周期性振蕩,且以近光速傳播的電漿波。

除了光刻機,激光還有什麼用? 形象穿搭 第16張除了光刻機,激光還有什麼用? 形象穿搭 第17張

  這種波出現在尾部,因此被稱為尾波。震蕩的尾波生出了一種特殊的電場結構,其中的縱向電場對電子而言存在加速區和減速區,其中的橫向電場,連同電流產生的磁場將對電子形成橫向聚焦和散焦區。

  在一個完整的尾波結構中,存在四分之一的區域對電子而言既是縱向加速,也是橫向聚焦的。與傳統射頻腔加速器不同,該加速結構本身和其內部的加速場都是向前傳播的,因而電子可獲得非常大的加速能量。

  一句話來說,激光尾波場加速就是利用超強激光,在電漿中激發出尾波來對帶電粒子進行加速的一種機制。

  這種加速方式與現實生活中的一種運動背後的原理很像,那就是沖浪

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  浪有多快,人就能沖多快!

  這等同於(激)光有多快,基本粒子就能在極短的時間內加速到多快。這可比用電場逐級加速效率高多了!

  由於電漿是已經完全電離的物質,不受通常材料在強電場下會擊穿的限制,能夠承載足夠高的場強。其加速梯度相較於現有的常規射頻腔加速器可以提升1000倍,達到GV/m。

  有激光參與的未來對撞機之所以是一個充滿前景的技術路線,是因為它能顯著提高加速環的加速梯度,使粒子在很短的直線距離內就加速到足夠高的能量,不用擔心結構問題。

  直白點說,歐洲27公里長圓環形LHC未來可能會被僅有3米長的激光直線對撞機取代!

  而在地球上建造對撞機的能量極限是繞地球建一圈(當然這是不可能實現的)。如果實現了激光加速,要達到同樣的能量水平,也只需要12.7公里的長度,還沒有LHC的一半大,同樣性價比極高。

  然而,雖遲但到的「但是」來了。

  我們短期內還很難實現用激光來進行高能物理對撞實驗,因為激光尾波加速還存在不少難題。

  舉了個例子,激光在傳輸過程中會發生自然散焦,即它的橫截面積會越來越大。而為了確保它能穩定地長距離傳輸下去,需要產生合適的電漿結構來控制激光的散焦程度。

  此外,雖然激光能在電漿中激發出尾波,但尾波也分三六九等,更強的尾波需要特殊類型的激光才能激發,這種激光是什麼樣的?目前也是一個需要解答的難題。

  圍繞激光尾波加速的研究已經開展了四十多年,或許還要很久,我們才能看到激光加速的對撞機。

  不過,我們願意給它時間,畢竟,另一個離成功總是還要五十年的領域,已經持續進行了七十年。

  這個領域,就是可控核聚變

  聚變能被認為是真正的終極能源,實現它的方式除了我們之前所說的磁約束托卡馬克裝置外(反對一切專利、黑進三星手機、摸魚造火箭、拒絕馬斯克……元宇宙成不成要看他了?),還有另外一種,那就是激光慣性約束聚變。它最早是在上世紀60年代,分別由我國的王淦昌院士和前蘇聯的科學家獨立提出。

  所謂激光慣性約束,指的是不對聚變燃料進行外力(如磁力)約束。利用高能激光去轟擊燃料來產生高溫高壓環境,靜止的燃料由於慣性來不及散開,處在這種極端環境下,聚變反應由此發生。

  可控核聚變中有個判斷反應能否自發持續下去的條件,勞森判據

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  溫度、壓強、約束時間是判據中的三個物理量,它們的乘積(聚變三乘積)需要大於某個特定值才能保證聚變反應的持續進行。

  在磁約束方式中,由於電漿的密度稀薄,壓強必然不高。為了達到判據要求,追求的是更高的溫度以及更長的約束時間。

  在利用激光進行聚變反應時,技術方向發生了變化,長的約束時間不再是最重要的,取而代之的是要追求更高的壓強

  在激光聚變方案中,燃料是幾毫克的氘氚混合物,它們被處理成針頭大小的球形靶丸

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  高能激光從四面八方轟擊靶丸,造成的高溫、高壓條件會使靶丸在沒來得及碎裂之前(由於慣性)就發生聚變反應。只要聚變釋放的能量大於為了產生聚變所投入的能量,就意味著實現了可控核聚變。

  這種方案聽起來比托卡馬克裝置明了多了,但實際上,它一點也不比磁約束方案容易。

  一個首要的問題是,為了發生聚變,靶丸內部燃料的密度要比初始時大一千倍,而為了實現如此逆天的壓縮,燃料感受到壓強需要高達3000億個大氣壓

  這麼大的壓力,人類現有的機械肯定是不行的。

  人造機器所能產生的最大壓力是8萬噸,它是2013年由中國第二重型機械集團制造的大型鍛壓機。整個機器高度超過40米,重達2.2萬噸。

  但即便如此,它產生的壓強也隻相當於20萬個大氣壓,與聚變所需的3000億個大氣壓還差了一百萬個數量級!

  從這可以看出,單純靠激光的轟擊使靶丸達到聚變條件是不可能的,必須想其他辦法。科學家想到的是氫彈爆炸的過程。

  並不是所有人都知道,氫彈裡其實有一個原子彈。沒有它,聚變反應所需的高溫高壓環境就無法實現,氫彈也就就爆炸不了。

除了光刻機,激光還有什麼用? 形象穿搭 第21張

  氫彈引爆靠的是內部的小型原子彈先行爆炸,激光聚變也可以類比於這種過程,但產生極端環境的不能是原子彈,而是燃料靶丸的外層材料。

  在目前較為成熟的設計裡,構成靶丸外層的材料主要是碳氫(CH)、高密度碳(HDC)或者鈹(Be)。這些材料被激光轟擊消融爆炸後,變成高溫電漿。

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  急劇膨脹的電漿和爆炸產生的沖擊波會繼續壓縮和加熱靶丸中心的氘氚燃料。在極短的時間內,中心燃料在上億度的高溫下被壓縮到原來密度的百倍、千倍,直至發生聚變。

  然而,問題還沒有結束。

  想要將中心密度壓縮到足夠高,靶丸外層的爆炸過程就必須非常均勻,因為哪怕外層不同部分的加速度有一丁點的的差別,抵達中心燃料的能量沖擊就會有時間差,壓縮也會因此失敗!

  如此苛刻的條件意味著靶丸必是須近乎完美的球體,同時轟擊靶丸的激光必須非常均勻平滑。

  目前世界上最大的激光聚變裝置是美國的國家點火裝置(NIF),裝置的核心是一個直徑達10米,重13噸的鋼球靶室。燃料靶丸被放在靶室的中央,等待功率高達5千億千瓦(5 *1014 W)的激光的轟擊。

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  2021年,美國全年發電總量約4萬億kW·h,這種級別的激光持續發射一小時將消耗美國全年發電量的1/8!但實際上,它持續的時間極短,不會對整個國家的電力系統造成負擔。

  為了使靶丸受到均勻地轟擊,那顆針尖大小的靶丸被放置在一個膠囊狀的金屬黑腔內。NIF的高功率激光被分成192束,在萬億分之一秒內(皮秒10-12s)的誤差內同時射入這個黑腔

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  受到激光輻照的黑腔內部會產生高能X射線,激光的能量大部分轉化為X射線的能量,之後靶丸會受到X射線全方位的轟擊。

  由於激光未直接照射到靶丸上面,這種引發聚變的方式也被稱為間接驅動,也是目前最為主流的驅動方式。

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  受到高能射線轟擊後,靶丸外層消融並形成急速膨脹的電漿。它將中心燃料的密度瞬間壓縮到1000 g/cm3。在高溫高壓的同時作用下,聚變發生,實現「點火」

  看過我們之前可控核聚變內容的讀者都知道,「點火」是一個有其他含意的詞。它指的是不需要外部能量的輸入,聚變反應可以自發維持下去。

  點火相當於一個節點,只有實現了它,才能再走向下一步,也就是反應的輸出能量大於反應所需的輸入能量,實現真正的有利用價值的可控核聚變

  2021年8月,NIF的實驗取得了自2012年開機以來的最好結果,燃料聚變產生的能量約占激光輸入能量的70%。此結果略高於歐洲聯合環JET在1997年創下的67%的記錄,後者是ITER建成前世界上最大的磁約束裝置。

  不過需要明確的是,70%指的是聚變產生的能量1.3MJ與真正輸入到靶丸上的能量1.8MJ之比。但該實驗為了將1.8MJ的激光能量輸入到靶丸上,耗費了477 MJ的電能。

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  如今來看,激光聚變之路依然任重道遠。

  科學家想用它來加速基本粒子。如果成功,建造幾十、上百公里長的對撞機就不再是探索宇宙規律的先決條件。

  幾個大國用它來研究可控核聚變。如果實現,人類接力幾代,對終極能源的追求,也算是可以畫上句點。

  科學家的預期與規劃能不能按時實現,還得等待時間的查驗。但無論是激光聚變還是磁約束聚變誰先取得突破,對人類來說都是科技史上的莫大榮光,文明史上的巨大飛躍。

  

  尾聲

  

  2017年,諾貝爾物理學獎授予了雷納·韋斯等三人,以表彰他們以愛因斯坦受激輻射理論為基礎的激光干涉探測儀LIGO首次探測到引力波,證實了愛因斯坦預言的那個回蕩在宇宙深處的「幽靈」

除了光刻機,激光還有什麼用? 形象穿搭 第27張

  如果說人類發明並使用工具是區別於動物的根本因素之一,那麼,我實在想不出,還有什麼能比用愛因斯坦預言的激光作為工具證明愛因斯坦的對宇宙究極秘密預言這件事,更能證明人類當得起「萬物之靈」四個字。

  從激光發明到今天,60多年過去了,科學家對激光至快至強的追求從未停止。

  1997年,諾貝爾物理學獎授予了朱棣文等三人,理由是他們發展了激光冷卻以及捕獲原子的方法。

  1999年的諾貝爾化學家頒給了艾哈邁德·澤維爾,以表彰他成功利用激光拍攝到化學反應過程,並開創了飛秒化學這一新興領域。

  2017年,瑞士科學家研發出了持續時間只有43阿秒(1阿秒=10-18秒)的超快激光脈沖,用作激光相機,0.001秒拍下的照片數量,人眼幾萬年也翻不完,才才能清晰記錄分子、原子乃至電子的運動過程。

  2019年,歐洲最強的的極端光設施(Extreme Light Infrastructure)成功發出了能量功率高達創紀錄10.88拍瓦(1016W)的激光。

  然而,還沒過年,這個記錄又被中國上海的超強超短激光實驗裝置以12.9拍瓦的激光輸出打破,相當於當年全球總發電功率的3000多倍

  這個裝置還有個名字,叫羲和,《山海經》中記載的生下十個太陽的女神,而12.9拍瓦相當於把12個太陽照在地球上的光聚焦在一個頭髮絲上的光強,看來還是謙虛了點。

除了光刻機,激光還有什麼用? 形象穿搭 第28張

  在西方的宗教典籍裡有這樣一句話:神說要有光,於是就有了光。

  但有那麼多科學家們前赴後繼為證,激光不是神的恩賜,而是人類摸透宇宙規律後完全掌握在手裡的可靠工具

  如今,我們面對宇宙的浩渺,本質上與站在大海前的赤身裸體原始人差不多,但光刻機、未來對撞機、可控核聚變,這些看似八棍子撂不著的設施神奇地被這束光聯繫到了一起,就像第一束火把,照出了未來無限可能。

  愛因斯坦曾說過一句話:「宇宙最不可理解的是,它竟然是可以被理解的。

  而科學本身最不可思議的是,它的每一次奇跡都是思考議論甚至吵架吵出來的!

  正如激光,三十多年一直存在於草稿中,原子彈都炸了還沒搞出來,還被領域權威認為不可能,卻在一個人堅持突破瓶頸後,就猛然把人類認知極大與極小的邊界往前推了幾個量級。

  科技最前沿的突破永遠都是布滿艱險,總因為過於高深,很難被眾人甚至同行理解。

  回顧此前大國重器的系列內容,我們介紹了以歐洲大型強子對撞機為代表的粒子對撞機及其所肩負的科學使命,以托卡馬克為代表的磁約束聚變裝置所追求的終極能源之路。最後,通過一束激光,我們看到了它們未來的更多可能。

  十年飲冰,難涼熱血。

  酷玩實驗室願意充當科普前鋒的角色,將這些高深莫測的學科、技術、設施、機構以及背後那群人的故事,抽絲剝繭地呈現到大眾面前。

  我相信,這是一件特別有意義、有價值的事,我們也會一直努力下去。

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