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拍瓦激光装置:一场国际竞赛正在上演

导读: 2月初,美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室宣布,该实验室研制的高重频拍瓦激光装置创造了新的世界纪录。

2月初,美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室宣布,该实验室研制的高重频拍瓦激光装置(High-Repetition-Rate Advanced Petawatt Laser System , HAPLS)创造了新的世界纪录。这台17 m长的激光装置脉冲功率将超过1 PW(1015 W),在1 s内产生10次脉冲输出,可以与全球任意一台高能量激光器媲美。

ELI的激光装置计划

但是HAPLS并不是为劳伦斯·利弗莫尔国家实验室自己建造的。根据合同,它将被安装在布拉格一栋炫酷的建筑内——耗资8.2亿欧元的欧洲极光基础设施(ELI)主楼。

在HAPLS之外,ELI将会建立另外两个激光装置——一个在匈牙利的塞格德,另一个在布加勒斯特的市郊(罗马尼亚首都)。在2018年初捷克的激光中心为等离子体物理、X射线成像以及肿瘤治疗等研究领域开放之际,这两个装置将向其他用户提供高能量激光。

 
一台将要安装在布拉格的激光器,由美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室制造,能够在1 s产生10个1PW的脉冲。(图片来源:LLNL)

然而,在ELI庞大的激光装置计划中,一台雄心勃勃的“巨星”装置被叫停——第四套激光装置,功率达到史无前例的200PW。三个月前,ELI的科学顾问委员会建议推迟有关项目的研究工作,直到之前的三台10PW激光器能按照预期完全运转起来,而这将会延续到2022年。

“巨星”装置搁浅

在哪里以及如何建立第四套200PW激光装置的方案原定于2012年就要出台,然而这个期限由于另外三个装置不得不延期。

在2016年11月的ELI顾问委员会上,委员们建议推迟选址决定,直到ELI开始启用并且不再需要新型大功率激光器技术研究的基金支持。位于布加勒斯特的ELI监督和发展委员会的副总干事Catalin Miron,他表示认可这一决议:“这将会促使ELI联盟更加专注于我们现阶段应该履行的任务。”

当然,ELI分散的结构直接导致了200PW项目计划的搁浅。早在2009年,法国、英国、捷克、匈牙利和罗马尼亚等5个国家提议建立ELI。

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,但东欧国家具有优势,它们可以利用欧盟成立的用于投资落后成员国的结构基金实施ELI项目。

利用这一基金,捷克、匈牙利和罗马尼亚三个国家分别可获得2.5亿欧元,ELI项目也因此分为三部分。每个国家负责一部分:捷克的装置将产生X射线和高能粒子束;匈牙利的装置负责产生超短快速点火的激光脉冲,用于研究原子分子中的电子运动;罗马尼亚的装置主要利用激光探测原子核内部。

一场国际竞赛

巴黎综合理工大学的物理学家Gérard Mourou认为暂停200PW激光器的提议是错误的,他早在10多年前提议建设ELI。

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。”

同时,Mourou指出了其他国家的进步。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。

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。”

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