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历史上的今天 回顾中国巨型激光器项目

  近日获悉,该实验物理成果在NewJournalofPhysics(XLiuetal2011NewJ.Phys.13093001)上发表后,被NaturePhotonics(DavidPile.2011NaturePhotonics5,644,该刊影响因子为26.508)在ResearchHighlights中重点推介。该报道以Collisionlessshockwaves为标题,称研究小组使用上海神光Ⅱ激光装置演示相向传播但可以无碰撞自由相互穿行的实验。

  2009年,中科院物理所、中科院国家天文台和中物院激光核聚变中心等单位在神光Ⅱ装置上开展的一轮实验中,巧妙地构造了激光等离子体磁重联拓扑结构。实验观测到了与太阳耀斑中环顶x射线源极为相似的结果。通过磁流体标度变换理论分析,发现两个系统的各项物理参数是惊人的相似。业内人士对本项工作给出了高度的评价,称:“如果在实验室和太阳耀斑中观测到的物理过程一致并且数据测量准确,那么这项工作将是伟大的发现,并且开辟了实验室天体物理研究的最新领域。”

  目前,神光Ⅱ装置已高质量稳定运行近十年,取得了一系列丰硕的成果。在保证国家运行任务的同时,加强了装置的开放度,提升了我国基础前沿研究水平和自主创新能力。特别是近两年来,利用神光Ⅱ装置输出的高功率激光,在实验室中创造与天体现象相似的极端物理条件为科学家们在实验室中对天体问题进行主动、近距、可控的研究提供了新思路和新方法,给天体物理研究带来了新的空间和新的方法。

  2010年4至5月,在神光Ⅱ装置第九路及神光ⅡX射线激光靶室实施了升级装置FOA首件验证实验,共打靶33发次,第九路系统输出的基频激光能量为1000J到4500J,激光脉冲宽度为3ns。对终端光学组件进行了色分离效果、穿孔效率、三倍频转换效率、BSG能量采样元件破坏、气溶胶成分成因及影响、靶场损耗和剩余光吸收等多项测试,获得了若干有实用价值的较好结果。

  终端光学组件(FinalOpticsAssembly:FOA)是高功率激光最重要、最复杂的光学组件之一。该组件集真空密封、谐波转换、谐波分离、激光聚焦、焦斑控制和激光参数采样等功能于一体,包括了窗口玻璃、倍频晶体、聚焦透镜、楔形板、衍射光学元件和防溅射板等光学元件。它是激光驱动器工程中与各种因素牵连度最高、最复杂的单元器件之一,其工程设计实现难度很高。世界最先进、规模最大的激光装置美国NIF工程花了7年左右时间才实现了FOA系统的基本定型。

  神光Ⅱ升级装置建成后,其每束激光运行输出能量和能量密度应为3000J/3ns/3ω0,激光在3ω0输出位置~3J/cm2,为中等通量密度水平。围绕工程目标,为保证在中等通量情况下安全、稳定运行,神光升级工程FOA的设计需突破原有的设计思路。从2008年初开始,FOA项目组在神光Ⅱ装置升级工程总体技术组的组织协调下联合国内科技攻关团队,对FOA开展了第一阶段的攻关工作。

  攻关项目组针对杂散光的管理、FOA光学排布设计冗余度模拟计算、气溶胶的管理控制与排除等工作难点,展开了深入细致的研究工作,制定了十余款安全措施以保证FOA安全工作。实验过程中,FOA组件实现3J/cm2以上三倍频激光输出通量14发,其中3ω激光输出通量最高为3.6J/cm2,相应三倍频激光输出转换效率最高约为70%。更重要的是,攻关项目组从FOA攻关工作前期就意识到了FOA气室中气溶胶及其它有关的问题,并在本轮实验中从多方面确证了FOA低压气室中在激光打靶瞬间产生了二十万级颗粒度极为有害的气溶胶环境,并且严重污染了FOA光学元件通光表面。实验首次揭示了气溶胶颗粒在FOA元件表面沉积所产生的破坏极可能是FOA元件首次遭到损伤的最重要原因。实验中以3ω0/3ns、3.6J/cm2最高能通量密度0°入射的会聚光穿过27DL小孔(500μm小孔)的过孔率为97%,过孔能量为2300J,获得了较为满意的结果。项目组目前正在研究并采取更有力的措施,梳导和排除气溶胶,从而在多层面意义上全面提升FOA光学元件的抗激光损伤能力。

  实验结果表明FOA光路全系统冗余度数值模拟设计,合理精密装校,为强化FOA的高质量传输功能和聚焦穿孔能力奠定了基础;FOA首件验证的穿孔实验还具有初步总体验证的意义,将为升级装置达标奠定前期实验基础。

  通过本次实验,项目组检验了第一阶段的工作,同时积累了实验数据,对FOA的工作也有了新的更深层次的理解,将为即将开展的第二阶段攻关工作提供有益的指导。

  在2010年10月13日,年度中科院大科学装置运行年会上,神光Ⅱ装置报送的“利用神光Ⅱ装置强激光模拟太阳耀斑中环顶x射线源和重联喷流获得成功”的成果获大装置2009年度开放研究成果奖,这也是神光Ⅱ装置连续第二年获得此项奖励。本次年会上共有13个装置25项成果参与奖项评选,经专家组评审后,神光装置的实验成果名列第三。

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