歐洲ELI 200 PW激光器項目延期

一台將要安裝在布拉格的激光器，由美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室製造，能夠在1 s產生10個1PW的脈衝。（圖片來源：LLNL）

2月初，美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室宣布，該實驗室研製的高重頻拍瓦激光裝置（High-Repetition-Rate Advanced Petawatt Laser System , HAPLS)創造了新的世界紀錄。這台17 m長的激光裝置脈衝功率將超過1 PW（1015 W），在1 s內產生10次脈衝輸出，可以與全球任意一台高能量激光器媲美。

ELI的激光裝置計劃

但是HAPLS並不是為勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室自己建造的。根據合同，它將被安裝在布拉格一棟炫酷的建築內——耗資8.2億歐元的歐洲極光基礎設施（ELI）主樓。

在HAPLS之外，ELI將會建立另外兩個激光裝置——一個在匈牙利的塞格德，另一個在布加勒斯特的市郊（羅馬尼亞首都）。在2018年初捷克的激光中心為等離子體物理、X射線成像以及腫瘤治療等研究領域開放之際，這兩個裝置將向其他用戶提供高能量激光。

然而，在ELI龐大的激光裝置計劃中，一台雄心勃勃的“巨星”裝置被叫停——第四套激光裝置，功率達到史無前例的200PW。三個月前，ELI的科學顧問委員會建議推遲有關項目的研究工作，直到之前的三台10PW激光器能按照預期完全運轉起來，而這將會延續到2022年。

“巨星”裝置擱淺

在哪裏以及如何建立第四套200PW激光裝置的方案原定於2012年就要出台，然而這個期限由於另外三個裝置不得不延期。

在2016年11月的ELI顧問委員會上，委員們建議推遲選址決定，直到ELI開始啟用並且不再需要新型大功率激光器技術研究的基金支持。位於布加勒斯特的ELI監督和發展委員會的副總幹事Catalin Miron，他表示認可這一決議：“這將會促使ELI聯盟更加專注於我們現階段應該履行的任務。”

當然，ELI分散的結構直接導致了200PW項目計劃的擱淺。早在2009年，法國、英國、捷克、匈牙利和羅馬尼亞等5個國家提議建立ELI。

負責當時選址的專家主席、意大利米蘭理工大學的Sandro De Silvestri表示，沒有哪個國家能夠承擔6億歐元的建設費用，但東歐國家具有優勢，它們可以利用歐盟成立的用於投資落後成員國的結構基金實施ELI項目。

利用這一基金，捷克、匈牙利和羅馬尼亞三個國家分別可獲得2.5億歐元，ELI項目也因此分為三部分。每個國家負責一部分：捷克的裝置將產生X射線和高能粒子束；匈牙利的裝置負責產生超短快速點火的激光脈衝，用於研究原子分子中的電子運動；羅馬尼亞的裝置主要利用激光探測原子核內部。

一場國際競賽

巴黎綜合理工大學的物理學家Gérard Mourou認為暫停200PW激光器的提議是錯誤的，他早在10多年前提議建設ELI。

他認為，這種超高能量密度的激光將會在基礎研究領域帶來開創性的突破。在這種能量強度下質子將會接近甚至達到光速，“破壞”真空，從而能夠利用它研究量子力學揭示的真空中各種虛粒子。雖然Mourou理解完成其他三個激光裝置的需求，但是他認為推遲發展更先進的高功率激光技術將會把這個領域的領先地位拱手相讓給其他國家。他說：“這正是我所擔心的。”

同時，Mourou指出了其他國家的進步。2016年8月，中國上海的一個裝置打破了5.3PW的最高激光脈衝峰值功率記錄，他們也計劃2019年完成10PW的激光裝置建設，另外100PW的激光裝置也在籌劃當中。日本、俄羅斯、美國等國也在進行超高功率裝置的研製。美國科學家計劃升級其位於紐約羅切斯特大學的OMEGA EP激光器，使其功率達到75PW。

參與設計HAPLS裝置的勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室科學家Constantin Haefner聲稱：“這就是一場競賽。”

“巨星”裝置的出路

現在ELI聯盟需要將分散於三個國家的建設項目轉變成一個獨立完整的麵向國際用戶的大科學裝置，進而從其他國家吸納基金支持用於補充其約8千萬歐元的年運行經費。ELI顧問委員會主席De Silvestri說道：“整合並啟用現有的三個裝置當前更為緊要，我們並沒有忘記200PW的第四個裝置，隻是我們需要一步一步地來。”

一些估算表明，歐洲的200PW激光器項目將會耗資約10億歐元。但是Mourou正在進行一項技術研究，通過縮短激光脈衝將10PW激光器改造成100PW激光器，他表示自己這項研究僅需花費3千萬歐元。他說：“我們之前認為這第四套裝置將會造價高昂，但是如果我們足夠聰明，我們能夠用少得多的經費完成目標。”

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