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上海制造世界最强激光脉冲峰值 用处非常多

来源:观察者 人气: 发布时间:2017-10-29
摘要:10月24日晚,中科院上海光机所和上海科技大学超强激光光源联合实验室传出喜讯:上海超强超短激光实验装置(SULF)的研制工作取得重大突破,成功实现了10拍瓦激光放大输出, 这是目前已知的世界最高激光脉冲峰值功率 ,达到国际同类研究的领先水平。

10月24日晚,中科院上海光机所和上海科技大学超强激光光源联合实验室传出喜讯:上海超强超短激光实验装置(SULF)的研制工作取得重大突破,成功实现了10拍瓦激光放大输出,这是目前已知的世界最高激光脉冲峰值功率,达到国际同类研究的领先水平。

这是SULF装置2016年8月实现5拍瓦国际领先成果之后再次取得重大进展。SULF装置计划于2018年底全面建成,2019年对用户开放。

超强超短激光的科技前沿应用极为广泛,故国际上多个国家投入巨资开展10拍瓦级大型超强超短激光装置的研制,展开激烈的科研竞争。

上海超强超短激光实验装置

超强超短激光,一般是指峰值功率大于1太瓦(1太瓦=1万亿瓦),脉冲宽度小于100飞秒(1飞秒等于1千万亿分之一秒)的激光。此次成功实现的10拍瓦激光放大输出,则等于1亿亿瓦,相当于全球电网平均功率的5000倍。100飞秒是怎样的瞬间呢?100飞秒相当于十万亿分之一秒,即使每秒飞行30万千米的光,在这么超短的时间内也只能走一根头发丝粗细的距离。此次激光脉冲宽度经过脉冲压缩器压缩后仅仅为21飞秒。

去年3月,我国科学家首次利用超强超短激光产生反物质。这还只是超强超短激光应用的冰山一角。超强超短激光能在实验室内创造出前所未有的超强电磁场、超高能量密度和超快时间尺度等综合性极端物理条件,这是之前只有在核爆中心、恒星内部、黑洞边缘才能找到的极端物理条件,可用于研制激光质子刀以治疗癌症;制造台式化电子加速器和产生超快X射线源对蛋白质探测成像;研究天体物理和宇宙起源,将来还可能用于真空结构和暗物质的探测等。

超强超短激光研究推动着激光科学、原子分子物理、等离子体物理、高能物理与核物理等一批基础与前沿交叉学科的开拓和发展。

同时这也将为相关战略高技术领域的创新发展,如高亮度新波段相干光源,超高梯度高能粒子加速器、强场激光核医学、聚变能源、精密测量等提供原理依据与科学基础,对其有着不可替代的强大推动作用。

相关报道截图

一场国际竞赛

正是因为超强超短激光在台式化加速器、超快化学、阿秒科学、材料科学、激光聚变、核物理与核医学、实验室天体物理等领域具有重大应用价值,国际上多个国家投入巨资开展10拍瓦级大型超强超短激光装置的研制,展开激烈的科研竞争。

欧盟10多个国家的近40个研究院所和科研机构联合提出Extreme Light Infrastructure(ELI),2012年以来,ELI计划陆续启动了3个子项目的研究,投入经费8.5亿欧元,计划于2017年研制数台10拍瓦超强超短激光并建成用户装置,同时为下一步研制200拍瓦级超强激光大科学装置打下基础,ELI下设四大研究装置,分别为捷克布拉格束线装置(ELI-Beamlines Facility),匈牙利赛格德阿秒装置(ELI-Attosecond Facility),罗马尼亚默古雷莱的核物理装置(ELI-Nuclear Physics Facility),以及尚未定址的超强场装置(ELI-Ultrra High Field Facility)。

捷克首都布拉格的ELI-Beamlines Facility

然而,今年3月有报道称,由于ELI分散的结构以及经费问题,200拍瓦级的“巨星”装置研发已经搁浅。负责当时选址的专家主席、意大利米兰理工大学的Sandro De Silvestri表示,没有哪个国家能够承担6亿欧元的建设费用。

在2016年11月的ELI顾问委员会上,委员们建议,在3台10拍瓦级的激光装置完成并正常运转前,不再考虑“巨星”的选址问题。而这一拖很可能就要等到2022年。布加勒斯特的ELI监督和发展委员会的副总干事Catalin Miron表示认可这一决议:“这将会促使ELI联盟更加专注于我们现阶段的任务。”

巴黎综合理工大学的物理学家、中科院爱因斯坦讲席教授杰哈•莫罗(Gérard Mourou)认为暂停200PW激光器的提议是错误的,他认为,这种超高能量密度的激光将会在基础研究领域带来开创性的突破。在这种能量强度下质子将会接近甚至达到光速,“破坏”真空,从而能够利用它研究量子力学揭示的真空中各种虚粒子。虽然Mourou理解完成其他三个激光装置的需求,但是他认为推迟发展更先进的高功率激光技术将会把这个领域的领先地位拱手相让给其他国家。他说:“这正是我所担心的。”

当时,莫罗教授还指出了其他国家的进步,他说,2016年8月,中国上海的一个装置打破了5.3PW的最高激光脉冲峰值功率记录,他们也计划2019年完成10PW的激光装置建设,另外100PW的激光装置也在筹划当中。日本、俄罗斯、美国等国也在进行超高功率装置的研制。美国科学家计划升级其位于纽约罗切斯特大学的OMEGA EP激光器,使其功率达到75PW。

2011年,莫罗教授应邀访问上海光机所

参与设计HAPLS装置的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室科学家Constantin Haefner声称:“这就是一场竞赛。”

现在ELI联盟需要将分散于三个国家的建设项目转变成一个独立完整的面向国际用户的大科学装置,进而从其他国家吸纳基金支持用于补充其约8千万欧元的年运行经费。ELI顾问委员会主席De Silvestri说道:“整合并启用现有的三个装置当前更为紧要,我们并没有忘记200PW的第四个装置,只是我们需要一步一步地来。”

一些估算表明,欧洲的200PW激光器项目将会耗资约10亿欧元。但是Mourou正在进行一项技术研究,通过缩短激光脉冲将10PW激光器改造成100PW激光器,他表示自己这项研究仅需花费3千万欧元。他说:“我们之前认为这第四套装置将会造价高昂,但是如果我们足够聪明,我们能够用少得多的经费完成目标。”

关于超强超短激光的具体应用,有以下几个例子:

研究反物质

每一种粒子都有一个与之相对的反粒子。

理论认为,反物质只要和正物质相遇就会湮灭。因此难以产生和保存,目前科学家很难在宇宙中找到反物质,转而在实验室的极端条件下尝试获取,这也成为物理学领域的热点和难点。

2016年,中科院上海光机所在国内首次成功利用超强超短激光产生一种反物质——超快正电子源,这一发现未来将在材料的无损探测、激光驱动正负电子对撞机、癌症诊断技术研发等领域得到重大应用,并入选两院院士评选的2016年度“中国十大科技进展新闻”。

微型自由电子激光器

超强超短激光驱动的小型化自由电子激光新概念:

超强超短激光与一根“头发丝”尺寸的微金属丝相互作用,在产生高能电子束的同时,巧妙地利用电荷分离效应构建了微型、瞬态的电子波荡器,获得了效率优于传统方案10倍以上的强太赫兹辐射,也为小型化、低成本自由电子激光器提出全新方案。

尾波场电子加速研究

中科院上海光机所强场激光物理国家重点实验室于2011年7月15日首次利用电离注入的全光驱动双尾波场级联电子加速器方案,成功实现了电子注入与电子加速的两个基本物理过程的分离与控制。

该实验获得了能量近GeV的准单能电子束和187 GV/m的超高加速梯度等突破性研究成果。

这将是未来实现高性能10 GeV量级甚至更高能的单能电子束的可行方案,特别是对台式化X射线自由电子激光等领域的发展具有重要的推动意义。

尾波场电子加速实验装置

质子成像

质子照相作为一种密度诊断手段,可利用微分截止和散射来显示样本静态或动态的密度变化,是目前探测等离子体中电磁场的唯一方法。

在过去的几年中,质子照相技术已经得到广泛应用,在实验中成功探测到瞬时场的数据。

中科院上海光机所强场激光物理国家重点实验室升级的拍瓦激光系统已经可以成功产生10MeV以上的质子束,成功利用飞秒拍瓦激光系统对蜻蜓进行了质子成像。

这也是拍瓦激光系统第一次通过缩小物距实现了蜻蜓的清晰成像。获得了蜻蜓的等比例整体成像,同时分辨率达到微米量级。

质子成像实验,(a)蜻蜓样本,(b)PW激光,(c)第一层(d)第二层RCF上蜻蜓成像

成像结果,蜻蜓(a)脚部、(b)尾巴、(c)头部和(d)翅膀的细微成像,(e)尾巴放大

寻找暗物质

“暗物质”被比作“笼罩在21世纪物理学天空中的乌云”。它由万有引力定律证实存在,却从未被直接探测到。科学家估算,宇宙中包含5%的普通物质,其余95%是看不见的暗物质和暗能量。揭开暗物质之谜将推动人类解释宇宙的存在和演化。

轴子,是暗物质的重要候选者之一。由于它几乎不和其他物质相互作用,至今没有被观测到。但超强激光提供的超强电磁场有可能成为探测轴子的科学手段。

探究真空奥秘

真空,真的空无一物吗?

在经典物理概念中,它确实是空的,但量子电动力学(QED)预言,真空不空,量子涨落无处不在,虚粒子对不断产生、消失。

真空的神秘特性是QED最令人激动的预言,未来的激光强度将高达10^23-25瓦/平方厘米,超强的光场可以激发真空的QED特性,使真空具备物质属性!

超强超短激光与高能光子源结合,将使人类第一次拥有窥视真空奥秘的机会,其中任何一个发现,都将是历史性的。

激光引雷研究

利用超强超短激光开展雷电控制应用研究受到世界上许多国家的高度重视,中科院上海光机所强场激光物理国家重点实验室是国内最早开展相关研究为数不多的几家单位之一。

该实验室的研究人员基于以前的研究基础,实验上首次观察到了激光诱导电晕放电现象并对这一发现展开了深入的研究。

这一成果为深入理解高压电场沿着光丝的发展和演化过程以至于最终实现激光控制雷电提供了重要的科学依据。

(a)高压电场空气击穿放电,(b)激光诱导高压电场空气击穿放电,(c)激光诱导高压电场电晕放电,(d)激光引雷概念

高功率激光物理联合实验室拍瓦激光研究历程:

据高功率激光物理联合实验室谢兴龙研究员回顾,实验室高功率超短脉冲激光的研究,最早要追溯到1996年,当时世界上第一台拍瓦(美国LLNL实验室利用NOVA的一路,采用CPA技术获得了1.24PW的输出)激光报道之后,实验室在林尊琪院士的指导下,通过国家863高技术的支持,依托联合室的两路钕玻璃激光系统,于2000年实现了20TW(1ps、20J)的输出,后来为了配合物理实验,又增加了一束20J、1.0ns的长脉冲与短脉冲同步运行,这是中国第一台皮秒级别的高功率超短脉冲激光系统。该系统从2003年正式运行到2008年总共开展了十几轮物理实验,其中超短脉冲轰击中子靶实验,获得了2.4×104的中子产额,这是国内第一次该类物理试验,与国际同期水平相当。

中国目前最具代表性和里程碑式的高功率超短脉冲激光系统,是高功率激光物理实验室于2013年完成的皮秒拍瓦超短脉冲激光系统,该系统目前是国内唯一可以提供给物理实验的拍瓦级超短脉冲激光系统。该系统的概念最早在1998年提出,依托高功率激光物理联合实验室刚刚投入运行的第九路激光,采用CPA技术,实现1kJ、1ps的输出,并开展ICF快点火的前期研究。系统2008年开始建造,由中国工程院、中国科学院和863高技术三家共同支持,2013年实现380J、5ps输出,2015年实现1kJ、1ps的拍瓦输出,目前已经成功并入神光II以及神光II升级装置的常规运行中,每年为物理实验提供几百发的打靶输出。

2009-2014年间,在国家863高技术计划的支持下,高功率激光物理联合实验室开始了800nm波段的高功率超短脉冲激光系统研究技术预研,从2013年开始,高功率激光物理联合实验室依托神光II的纳秒系统,设计了工作波长800nm、输出指标150J/30fs的激光系统,该系统通过三级OPCPA放大单元,最终为物理实验提供5PW的到靶脉冲能量。该系统2016年完成OPCPA_II放大级的建造和调试,实现了大于1PW的超短脉冲输出,并完成了第一轮的质子加速物理实验,下一步的计划是一边优化激光输出,在提供物理实验的同时,完成OPCPA_III放大级的建造和调试。在800nm波段,该系统目前是国内唯一一台可以提供到靶输出的的超短脉冲激光系统。

我国高功率激光物理联合室在高功率激光和超短脉冲技术方面的积累,所掌握的技术已经达到了世界的先进水平。

超强超短激光光源的建立与发展,及其广泛的前沿应用具有重要意义。通过在极端物理条件下对物质结构、运动和相互作用进行研究可以使得人类对客观世界规律的认识更加深入和系统。

可见,超强超短激光光源的建立与发展,及其广泛的前沿应用具有重要意义。为保持我国在该领域的领先地位,引领相关学科和技术的发展,科学家们正在积极努力、不断前行。

谢兴龙先生感叹,回首30年,先辈的努力吾辈的财富,当继承和勇往直前。

责任编辑:观察者
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