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我国超强激光跻身国际前列:比肩欧美

2015-04-16 10:11
来源: 激光网

  众所周知,超短超强激光是目前国际激光应用领域的热点。除了激光引发核聚变、激光切割等工业用途,超短超强激光也是目前激光武器研制的热点,由于脉冲激光可汽化目标表面,引发目标爆裂解体,因此被认为比连续波激光更适合作为激光武器。因此世界各国对于超强激光的研发热情不减,中国在该领域有望取得重大进展,跻身世界前列。

  近日,第S26次香山科学会议在上海举办,与会专家包括徐至展、王乃彦、甘子钊、范滇元、沈文庆、孙承纬、赵政国等两院院士,以及十多位国家杰出青年基金获得者和多位国际著名学者。与会专家建议,应抓住发展机遇,基于我国现有超强激光技术及相关光学材料与元器件的基础,早日建立10拍瓦乃至更高量级的超强激光光源,开展高水平的国内外合作,加强学科交叉,进一步开展前沿物理和高技术应用研究,尽早建成开展高水平基础研究和应用基础研究的基地、高层次国际交流与合作研究基地以及吸引与聚集优秀科学家和培养青年科技人才的基地。

  激光脉冲峰值功率达到10拍瓦级(1拍瓦为1000万亿瓦)乃至更高量级、脉冲宽度达到飞秒级(1飞秒为千万亿分之一秒)的超强激光光源,被认为是人类已知的最亮光源,能在实验室内创造出前所未有的超高能量密度、超强电磁场和超快时间尺度综合性极端物理条件,能为人类提供前所未有的实验手段。

  中科院上海光机所研究员冷雨欣表示,超强超短激光为人类提供的全新极端物理条件,自然界中只有在恒星内部或是黑洞边缘才能找到。与会专家认为,发展超强激光光源并开拓其前沿应用十分重要。通过在极端物理条件下物质结构、运动和相互作用的研究,人类对客观世界规律的认识将更加深入和系统化。

  专家建议,为保持我国在超强激光光源领域的领先地位,当前亟待解决一系列科学和工程技术问题,并且需要巨大的人员和经费投入;同时亟须结合国家需求,寻找一个或数个最关键的基础研究和高技术应用作为切入点。

  10PW级超强超短激光研制中

  中科院上海光机所强场激光物理国家重点实验室最近在拍瓦(千万亿瓦,PW)超强超短激光研究方面取得重要进展。拍瓦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综合性极端物理条件,在激光加速、激光聚变、阿秒科学、天体物理、核物理、高能物理、原子分子物理、核医学等领域具有重大应用价值,是国际激光科技竞争前沿之一。国际上多个国家提出了大型超强超短激光装置研究计划,其中,Extreme Light Infrastructure (ELI)计划被欧盟纳入其大科学装置发展路线图,目标是发展200PW级超强超短激光装置,并计划于2017年建成10PW超强超短激光用户装置,开创激光与物质相互作用研究与应用的新时代。英国和法国也正在开展10PW超强超短激光装置的研制工作。美、俄、日本等国也纷纷提出了各自的200PW级超强超短激光装置研究计划。

  上海光机所强场激光物理国家重点实验室基于在超强超短激光领域二十余年的研究积累与技术基础,正在研制10PW级超强超短激光装置。该装置以高对比度啁啾脉冲放大链和光学参量啁啾脉冲终端放大器相结合的混合放大器方案为总体技术路线,利用了啁啾脉冲放大技术(CPA)的高稳定性和高转换效率,以及光学参量啁啾脉冲放大技术(OPCPA)的无横向寄生振荡、无热效应、B积分小等优点,充分发挥CPA和OPCPA两种激光放大技术的优势,2013年首次在实验上验证了CPA/OPCPA混合放大器方案[Optics Letters 38,4837,(2013)],实现0.61PW激光脉冲输出,2014年10月又进一步将输出能力升级到1PW。这是目前国际上基于OPCPA放大器获得的最高激光脉冲能量和最高峰值功率,验证了CPA/OPCPA混合放大器作为10PW级超强超短激光装置总体技术路线的可行性。

  该激光装置主要包括基于钛宝石晶体的800nm波段宽带高信噪比CPA放大链、基于三硼酸锂(LBO)晶体的OPCPA终端放大器和激光脉冲压缩器等几个模块。高信噪比CPA前端采用交叉偏振波脉冲净化(XPW)技术,将激光脉冲的信噪比提高到10-11量级,经CPA多通放大到数焦耳量级后,注入到终端OPCPA放大器中,采用口径为100mm×100mm的LBO晶体和非共线相位匹配模式,在脉冲能量为169J的时空近平顶分布的钕玻璃倍频激光泵浦下,通过优化泵浦光和信号光的注入条件,最终获得45.3J的放大输出,转换效率接近27%,放大光谱全宽约80nm,压缩脉宽为32.0fs,压缩后单脉冲能量32.6J,对应峰值功率1.0PW。该结果表明基于LBO的OPCPA放大器能够在800nm附近、大口径、高通量下实现宽带、高转换效率的放大,为基于CPA/OPCPA混合放大技术路线的10PW超强超短激光装置的研制奠定了坚实的技术基础。

  该项研究采用的大口径LBO晶体由中科院理化所研制,钕玻璃激光泵浦源的研制得到了上海光机所高功率激光物理联合实验室和高功率激光单元技术研发中心的帮助,大口径宽带介质膜由上海光机所中科院强激光材料重点实验室提供。该项研究得到了国家863计划、国家973计划、国家自然科学基金会和国家科技部国家重点实验室专项等的支持。

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