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未来加速器——光纤激光器阵列驱动粒子加速器

2013-05-16 09:17
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  ——能否采用数以千记的光纤激光器阵列作为下一代粒子加速器的驱动源?ICAN(国际相干放大网络工程)认为这是可能的,并正在开展相关研究。

  高功率激光研究者们面临着实验室基础研究(以CERN(欧洲核子研究中心)为代表)和应用领域研究(以质子理疗和核能嬗变为代表)所带来的制造下一代粒子加速器的挑战。1985年问世的CPA(啁啾脉冲放大)技术能够产生强度超过1018W/cm2的激光脉冲,在此电磁场强度下,电子进行相对论运动,通过康普顿效应或电子回旋加速效应,可进行激光尾波加速和产生硬X射线等。离子在强度超过1022W/cm2时也会进行相对论运动——由大型激光装置得以验证,如美国密歇根大学的“大力神”装置,该装置能产生峰值强度最大的激光,又如欧洲“ELI项目(极限光基础设施)”,包括了欧洲四个高功率激光设备。在近期实验中,电子被激光尾波加速,在短短几厘米内被加速到千兆级电子能量——加速长度远远短于传统加速器。这些新成果表明,理论上未来的高能粒子加速器结构会更加紧凑,效率更高。

  制约激光粒子加速器的性能技术难点是,如何快速高效的产生高峰值功率和高平均功率的激光。而目前,最先进的拍瓦激光器,如加州劳伦斯伯克利国家实验室的BELLA装置,通常也只有几十瓦的平均功率,并且总效率也很低。为产生高平均光束,激光加速器需要工作在几十千兆的脉冲重复频率状态,从而获得几百千兆的平均功率和大于20%的总效率,但对于今天的激光技术而言,这样的技术指标仍是遥不可及的。

  光纤激光器的优势

  光纤激光器的增益介质在光纤内,用半导体激光二极管泵浦,过去几十年其平均功率和效率都有了长足的提高。2004年,连续波光纤激光器的平均功率已经达到千瓦级,总效率超过30%。

  虽然半导体二极管激光器可以以非常低的成本提供非常高的平均功率(预计能低至$5/W),并且效率很高(50%~60%),但是其光束质量很差。光纤激光器可看做高效的亮度转换器,将光束质量差的二极管泵浦光转换为一个质量较好的相干光,在千瓦量级其光-光转换效率可接近90%。由于光纤的结构和材料特性,其表面-体积比很高,纤芯中残热很容易被消除,使输出高平均功率激光成为可能。此外,激射过程产生的热负荷分布在很长的长度上,所以单位长度上的热负荷就很低。因此在许多工业需求的高功率高可靠性激光领域,光纤激光器已成为首选,10千瓦单模连续运转近衍射极限激光器已经商业化。

  在光纤中产生高能量超快脉冲主要由纤芯的几何结构所限制。由于高峰值功率脉冲在传输过程中发生非线性效应,引起脉冲扭曲和展宽。在体增益介质中,为减少非线性效应,通常采用扩束和降低峰值强度的方法。然而在光纤中,光束尺寸的增大是受到限制的,大芯径光纤开始失去它们热和几何结构上的优势。与体激光器一样,CPA系统也可以用来防止非线性效应的发生,用这种方法可以在光纤中产生2.2mJ的激光脉冲,峰值功率达到3.8GW左右。

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