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9月21日，英伟达创始人兼CEO黄仁勋在接受国际媒体采访时，说了这样一句话：

“摩尔定律结束了。”

也就是说，芯片中集成的晶体管数量没办法像过去一样保持每18个月翻一番，同时价格下降为之前的一半。

这背后，不仅是晶圆价格上涨，还有一个重要原因，先进制程光刻机技术也到了天花板。

目前，全球最先进的光刻机是荷兰ASML生产的EUV光刻机。最新一代的High-NA极紫外光刻机，预计会在2024—2025年交付。

然而，ASML首席技术官Martin van den Brinki表示，“多年来，我一直怀疑 high-NA 将是最后一个 NA，这种信念没有改变。”

而一种先进技术一旦停滞，迭代放缓甚至停滞，往往会出现“技术封锁”。

2020年的9月15日，美国对华为的芯片制裁正式生效。发酵的舆论将一种制造高端芯片的设备——光刻机，引入了大众视野。

被美国制裁后，华为空有高端芯片——麒麟的设计方案，却无法把它生产出来。

关键就卡在了光刻机上。

光刻机被誉为人类工业皇冠上的明珠，全世界只有荷兰、中国、日本、美国、韩国等少数几个国家能制造，但只有荷兰的光刻机能生产几纳米制程的高端芯片。

2022年第一季度，华为手机的销量已经跌出了国内前五，跌到了世界第九。短短一年多的时间，华为成了国人见证高端科技被卡脖子后果的典型。

光刻机就是用光作刀，在硅片上雕刻出芯片结构的机器。

光的波长越短，所能雕刻的电路尺寸越小，芯片上的晶体管越多，性能也就越高。

1916年，爱因斯坦发表了论文《关于辐射的量子理论》，首次提出受激辐射的概念。指的是处于高能级的原子在受到入射光子的刺激后会跃迁到低能级，并释放出两个与入射光子同等能量的光子。

从另一个方面看，激光完全是量子效应的产物，因为想要出现受激辐射，入射光子的能量应正好等同于原子所处高低能级之间的能量差，这种分立的能级是量子世界的固有性质。

从理论上提出受激辐射的概念，到实验上真正发现受激辐射过程，再到利用受激辐射产生激光，这之间过了四十多年。

一般情况下，原子多处于更稳定的基态，处于高能级的特别少。因此，受激辐射过程的占比远小于受激吸收和自发辐射，不能实现光的放大。

为了使受激辐射占主导地位，需要使高能级的原子远多于基态的原子，这种情况被称为粒子数反转。

1951年，美国物理学家查尔斯·汤斯（Charles Townes）想到了在氨分子里实现粒子数反转的方法。

氨分子是个二能级系统（只有基态和一个激发态）。实验发现，无论如何操作，氨分子中处于基态和激发态的粒子数都趋于平衡，无法实现粒子数反转。

查尔斯想到了一个取巧的办法，他利用外加电场使一部分氨分子电离并处于激发态，再通过磁场把处于基态的氨分子和处于激发态的氨分子区分开来。之后，他将激发态的氨分子注入到一个柱形空腔里。

这个空腔被称为谐振腔，它由两块平行放置的平面镜组成，其中一个是全反射镜，可将光完全反射；另一个是允许小部分光通过的部分反射镜。

此时，谐振腔里几乎全是激发态的粒子，粒子数反转由此实现。

在电场作用下，处于高能级的氨气分子发生受激辐射后，会发出被可见光频率更低的微波。此时，偏离轴向运动的波会直接溢出，而沿着轴向运动的波则在两个反射镜之间来回反射。

这种“筛选”过程既能累积诱导发生新的受激辐射（能量来自于来回反射的波），又保证了最终输出微波的准直（方向）性。这些保留下来的波之间也具有一种特殊的关系，也就是——相干性。

一束激光在传播很远距离后，几乎不会出现明显的发散情况，这种强聚焦性背后的原理就是空间相干性。

相干光之所以特别，因为它们能“相互成就，变得更强”。

激光便是由无数相干光组成的“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。

激光的英文原意是“受激辐射导致的光放大”（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation），1959年，哥伦比亚大学的高登古尔德（Gordon Gould）首次提出了LASER（激光）这个名词。

不过，在1959年之前，“激光”设备就已经出现了。

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基于相干性，1953年，查尔斯造出了世界上第一台微波放大装置，该装置利用激发的氨分子发生受激辐射来放大频率约为24 GHz的微波。

回头来看，激光的发明并不是一件容易的事，而这也注定了其天生不凡。由相干光汇聚而成的激光具有超越普通光线的物理特性：相干性、亮度高、单色性好。

无论是用作工具、武器还是显示、通讯载体，都属于降维打击。

激光的亮度高意味着高能量，而且可以聚焦到极小的光斑，从而实现精准的激光切割、光刻，乃至核聚变等等。

军事上，以二氧化碳气体为增益介质的激光器可以用来切割坚硬的金属或非金属材料，以氧碘、氟化氢等气体为增益介质的化学激光武器已经可以做到摧毁卫星、拦截导弹。

1968年，第一代激光制导炸弹“宝石路”在越南战场投入使用，凭借激光精准的导引能力，平均13枚就能摧毁一个大型军事目标，而换成普通炸弹，可能需要地毯式轰炸几千枚。

等离子体中的大量离子都处于高激发态，其内部处于高能级的电子会通过自发辐射坠落到低能级，辐射产物便是13.5nm的EUV。

如果说EUV是雕刻芯片的刀，那激光便是锻造出这把神兵的锤子与烈火。

事实上，高温同步辐射或高强度的电流也能被用于产生EUV。不过，由于芯片生产过程的高标准与高要求，目前只有依靠激光产生的EUV才能担当大任。换句话说，激光是人类造芯的唯一选择。

另外，激光不仅能充当造刀的工具，它自己也可以化身为刀。在EUV光刻技术出现之前，准分子激光光刻一直是光刻技术的最前沿。

准分子激光器以惰性气体和卤化物气体为增益介质，目前占市场主导地位的深紫外（DUV）光刻用的“刀”——波长为248 nm的氟化氪 (KrF) 激光和波长为193 nm的氟化氩激光 (ArF)，便是出自于准分子激光器。

自准分子激光技术诞生以来，它一直是芯片摩尔定律持续推进的关键因素。毫不夸张的说，没有激光的诞生，芯片以及整个信息产业就不可能发展到如今的水平。

这种波出现在尾部，因此被称为尾波。震荡的尾波生出了一种特殊的电场结构，其中的纵向电场对电子而言存在加速区和减速区，其中的横向电场，连同电流产生的磁场将对电子形成横向聚焦和散焦区。

在一个完整的尾波结构中，存在四分之一的区域对电子而言既是纵向加速，也是横向聚焦的。与传统射频腔加速器不同，该加速结构本身和其内部的加速场都是向前传播的，因而电子可获得非常大的加速能量。

一句话来说，激光尾波场加速就是利用超强激光，在等离子体中激发出尾波来对带电粒子进行加速的一种机制。

这种加速方式与现实生活中的一种运动背后的原理很像，那就是冲浪。

浪有多快，人就能冲多快！

这等同于（激）光有多快，基本粒子就能在极短的时间内加速到多快。这可比用电场逐级加速效率高多了！

由于等离子体是已经完全电离的物质，不受通常材料在强电场下会击穿的限制，能够承载足够高的场强。其加速梯度相较于现有的常规射频腔加速器可以提升1000倍，达到GV/m。

有激光参与的未来对撞机之所以是一个充满前景的技术路线，是因为它能显著提高加速环的加速梯度，使粒子在很短的直线距离内就加速到足够高的能量，不用担心结构问题。

直白点说，欧洲27公里长圆环形LHC未来可能会被仅有3米长的激光直线对撞机取代！

而在地球上建造对撞机的能量极限是绕地球建一圈（当然这是不可能实现的）。如果实现了激光加速，要达到同样的能量水平，也只需要12.7公里的长度，还没有LHC的一半大，同样性价比极高。

然而，虽迟但到的“但是”来了。

我们短期内还很难实现用激光来进行高能物理对撞实验，因为激光尾波加速还存在不少难题。

举了个例子，激光在传输过程中会发生自然散焦，即它的横截面积会越来越大。而为了确保它能稳定地长距离传输下去，需要产生合适的等离子体结构来控制激光的散焦程度。

此外，虽然激光能在等离子体中激发出尾波，但尾波也分三六九等，更强的尾波需要特殊类型的激光才能激发，这种激光是什么样的？目前也是一个需要解答的难题。

围绕激光尾波加速的研究已经开展了四十多年，或许还要很久，我们才能看到激光加速的对撞机。

不过，我们愿意给它时间，毕竟，另一个离成功总是还要五十年的领域，已经持续进行了七十年。

这个领域，就是可控核聚变。

聚变能被认为是真正的终极能源，实现它的方式除了我们之前所说的磁约束托卡马克装置外(反对一切专利、黑进三星手机、摸鱼造火箭、拒绝马斯克……元宇宙成不成要看他了？)，还有另外一种，那就是激光惯性约束聚变。它最早是在上世纪60年代，分别由我国的王淦昌院士和前苏联的科学家独立提出。

所谓激光惯性约束，指的是不对聚变燃料进行外力（如磁力）约束。利用高能激光去轰击燃料来产生高温高压环境，静止的燃料由于惯性来不及散开，处在这种极端环境下，聚变反应由此发生。

可控核聚变中有个判断反应能否自发持续下去的条件，劳森判据。

受到高能射线轰击后，靶丸外层消融并形成急速膨胀的等离子体。它将中心燃料的密度瞬间压缩到1000 g/cm3。在高温高压的同时作用下，聚变发生，实现“点火”。

看过我们之前可控核聚变内容的读者都知道，“点火”是一个有其他含意的词。它指的是不需要外部能量的输入，聚变反应可以自发维持下去。

点火相当于一个节点，只有实现了它，才能再走向下一步，也就是反应的输出能量大于反应所需的输入能量，实现真正的有利用价值的可控核聚变。

2021年8月，NIF的实验取得了自2012年开机以来的最好结果，燃料聚变产生的能量约占激光输入能量的70%。此结果略高于欧洲联合环JET在1997年创下的67%的记录，后者是ITER建成前世界上最大的磁约束装置。

不过需要明确的是，70%指的是聚变产生的能量1.3MJ与真正输入到靶丸上的能量1.8MJ之比。但该实验为了将1.8MJ的激光能量输入到靶丸上，耗费了477 MJ的电能。

如今来看，激光聚变之路依然任重道远。

科学家想用它来加速基本粒子。如果成功，建造几十、上百公里长的对撞机就不再是探索宇宙规律的先决条件。

几个大国用它来研究可控核聚变。如果实现，人类接力几代，对终极能源的追求，也算是可以画上句点。

科学家的预期与规划能不能按时实现，还得等待时间的检验。但无论是激光聚变还是磁约束聚变谁先取得突破，对人类来说都是科技史上的莫大荣光，文明史上的巨大飞跃。

尾声

2017年，诺贝尔物理学奖授予了雷纳·韦斯等三人，以表彰他们以爱因斯坦受激辐射理论为基础的激光干涉探测仪LIGO首次探测到引力波，证实了爱因斯坦预言的那个回荡在宇宙深处的“幽灵”。

如果说人类发明并使用工具是区别于动物的根本因素之一，那么，我实在想不出，还有什么能比用爱因斯坦预言的激光作为工具证明爱因斯坦的对宇宙究极秘密预言这件事，更能证明人类当得起“万物之灵”四个字。

从激光发明到今天，60多年过去了，科学家对激光至快至强的追求从未停止。

1997年，诺贝尔物理学奖授予了朱棣文等三人，理由是他们发展了激光冷却以及捕获原子的方法。

1999年的诺贝尔化学家颁给了艾哈迈德·泽维尔，以表彰他成功利用激光拍摄到化学反应过程，并开创了飞秒化学这一新兴领域。

2017年，瑞士科学家研发出了持续时间只有43阿秒（1阿秒=10-18秒）的超快激光脉冲，用作激光相机，0.001秒拍下的照片数量，人眼几万年也翻不完，才才能清晰记录分子、原子乃至电子的运动过程。

2019年，欧洲最强的的极端光设施（Extreme Light Infrastructure）成功发出了能量功率高达创纪录10.88拍瓦（1016W）的激光。

然而，还没过年，这个记录又被中国上海的超强超短激光实验装置以12.9拍瓦的激光输出打破，相当于当年全球总发电功率的3000多倍。

这个装置还有个名字，叫羲和，《山海经》中记载的生下十个太阳的女神，而12.9拍瓦相当于把12个太阳照在地球上的光聚焦在一个头发丝上的光强，看来还是谦虚了点。

在西方的宗教典籍里有这样一句话：神说要有光，于是就有了光。

但有那么多科学家们前赴后继为证，激光不是神的恩赐，而是人类摸透宇宙规律后完全掌握在手里的可靠工具。

如今，我们面对宇宙的浩渺，本质上与站在大海前的赤身裸体原始人差不多，但光刻机、未来对撞机、可控核聚变，这些看似八竿子打不着的设施神奇地被这束光联系到了一起，就像第一束火把，照出了未来无限可能。

爱因斯坦曾说过一句话：“宇宙最不可理解的是，它竟然是可以被理解的。”

而科学本身最不可思议的是，它的每一次奇迹都是思考议论甚至吵架吵出来的！

正如激光，三十多年一直存在于草稿中，原子弹都炸了还没搞出来，还被领域权威认为不可能，却在一个人坚持突破瓶颈后，就猛然把人类认知极大与极小的边界往前推了几个量级。

科技最前沿的突破永远都是布满艰险，总因为过于高深，很难被世人甚至同行理解。

回顾此前大国重器的系列内容，我们介绍了以欧洲大型强子对撞机为代表的粒子对撞机及其所肩负的科学使命，以托卡马克为代表的磁约束聚变装置所追求的终极能源之路。最后，通过一束激光，我们看到了它们未来的更多可能。

十年饮冰，难凉热血。

酷玩实验室愿意充当科普前锋的角色，将这些高深莫测的学科、技术、设施、机构以及背后那群人的故事，抽丝剥茧地呈现到大众面前。

我相信，这是一件特别有意义、有价值的事，我们也会一直努力下去。

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