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  • 上海成功輸出世界最強激光脈沖

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    發布時間:2016-09-10 18:32:02
    來源: 解放日報

     
    超強超短激光光源裝置示意圖。超強超短激光在臺式化加速器、超快化學、阿秒科學、材料科學、激光聚變、核物理與核醫學、高能物理等領域都具有重大應用價值。制圖:金濤
     
     
     
     
     
     
     
     

     

      ?坡100號,兩間不到800平方米的實驗室,擺放著五顏六色的晶體、長長的真空管等裝置,看上去沒有什么特別之處。就是在這里,中科院上海光機所—上?萍即髮W超強激光光源聯合實驗室,日前成功實現了5拍瓦激光脈沖輸出。這是目前已知的世界最高激光脈沖峰值功率,有望明年年底成為世界首個實現10拍瓦激光輸出的裝置。

      超強超短是什么概念?1拍瓦等于1千萬億瓦,相當于全球電網平均功率的500倍,1飛秒等于1秒的1千萬億分之一。普通照相機最快可以達到毫秒級,這相當于飛秒級照相機的科學裝置,可為電子運動軌跡成像。

      超強超短激光有何應用價值

      今年3月,我國科學家首次利用激光產生反物質。這正是上海超強超短激光實驗裝置的一個成果,它可以在材料內部制造出反物質,也就是大量正電子,與材料內部帶負荷的電子發生湮滅,當電子的全部質量轉變成電磁輻射,并以伽馬光子射出,再檢測這些光子,就能間接地探測到材料的內部情況。未來,這一成果還可能用于真空結構和暗物質的探測。

      這還只是超強超短激光應用的冰山一角。它為人類提供了前所未有的極端物理條件與全新實驗手段,自然界中只有在恒星內部或是黑洞邊緣才能找到的高能量密度(單位體積內包含的能量)極端條件已有可能在實驗室內創造。舉例來說,解析一個蛋白質的結構,對于揭示生命的奧秘意義重大,超強超短激光可用于研制臺式化電子加速器和超快X射線源,對蛋白質中的原子運動進行成像探測;目前用于癌癥治療的傳統質子加速器,體積龐大,超強超短激光可用于研制小型化激光質子刀; 材料的很多根本特性是由電子特性來決定的,電子運動的速度比原子還要快,超強超短激光正是“以快制快”,其阿秒(1阿秒=10-18秒)脈沖可以用于探測原子內電子的運動,推動材料科學的進步。一言以蔽之,它在臺式化加速器、超快化學、阿秒科學、材料科學、激光聚變、核物理與核醫學、高能物理等領域都具有重大應用價值。

      早在2010年,《自然》就預測未來10年激光領域可能實現5項重大突破,其中4項與超強激光直接相關!犊茖W》 也發專文指出,“這項工作將影響每一項研究,從聚變到天體物理。”正因為此,超強超短激光成為了國際上激光科技的最新發展前沿與競爭重點領域。多個國家投巨資開展10拍瓦級激光裝置的研制。歐盟計劃于2018年建成10拍瓦激光裝置,法國和英國也正在研制各自的10拍瓦激光裝置,美、俄、日等則提出了百拍瓦級激光裝置的設想。

      在國家發改委和上海市共同支持下,以10拍瓦激光裝置為核心的上海超強超短激光實驗裝置的研制已被納入上海建設具有全球影響力的科創中心、打造世界級重大科技基礎設施集群的首批重大項目,也將是上海張江綜合性國家科學中心的核心平臺之一。

      為什么10拍瓦是一道坎

      為什么各國都把建成10拍瓦激光裝置作為重要的目標?上海光機所強場激光物理國家重點實驗室主任冷雨欣介紹,10拍瓦是一道坎,建設難度大,同時應用范圍廣,一旦建成可以更好地提供極端物理條件與全新實驗手段。

      “每步都很難,10拍瓦更是難上加難。”冷雨欣說,從1996年研制出鈦寶石2.8太瓦(1拍瓦=1千太瓦)激光裝置算起,科研團隊為之奮斗了整整20年。2007年為了研制當時世界最高鈦寶石功率0.89拍瓦的激光裝置,科研人員頂著壓力,沒日沒夜地干。當時,實驗室的裝置需要預熱,大家輪流早晨6時就趕到實驗室把空調打開。等到調節好設備開始實驗,差不多就到了下午,沒有一個人舍得按時下班,都喜歡在實驗室工作到深夜。

      天道酬勤。2013年團隊研制成功了當時國際最高峰值功率2拍瓦激光放大系統,此前國際最高激光峰值功率是由美國勞倫斯—利弗莫爾國家實驗室1999年創造并保持14年領先地位的1.5拍瓦。

      這一領跑優勢一直保持到了今天。如果說激光放大技術是一座高峰,把脈沖時間壓縮到趨于無窮小則是一座更高的險峰。能量不變的情況下,只有當時間趨于無窮小時,功率才會趨于無窮大。就在今年8月,科研團隊解決了激光放大和脈沖壓縮的關鍵技術問題,實現了5拍瓦激光脈沖輸出。

      科學家預測,未來5年,激光的聚焦強度可能超過1023W/cm2,甚至更高量級。這么大的光強意味著什么?估算一下,1021W/cm2相當于地球接收到的太陽總能量聚焦到頭發絲粗細的尺度。如此巨大的光強,人們可能會擔心超強超短激光裝置是否會帶來輻射?蒲腥藛T解釋說,盡管超強超短激光的功率達到拍瓦級,但因為時間達到飛秒級,其能量還不如一瓶可樂,在脈沖持續時間里,只有大約200焦耳的能量。需要知道的是,一臺2千瓦的微波爐如果工作1秒鐘,就能產生2千焦耳的能量,連牛奶都轉不熱?傮w而言,超強超短激光裝置產生的輻射很小,只需進行實驗室防護即可。

      據介紹,這一項目預計明年年底將首批建成極端條件材料科學研究平臺、超快亞原子物理研究平臺、超快化學與大分子動力學研究平臺等3個用戶實驗終端,服務于物質科學與生命科學的研究。

      中科院上海分院院長、上?萍即髮W黨委書記朱志遠評價這一國家戰略時說,在上海市委市政府部署下,超強超短激光裝置與同處張江的上海光源、國家蛋白質中心上海設施等大科學設施共同組成了獨具特色的世界級大科學裝置集群;A科學的創新和前沿問題的探索,離不開核心技術的突破。這一世界級大科學裝置集群的建成,是上海建設有全球影響力的科創中心的重要內涵,將為提升科學界基礎研究能力和前沿探索能力做出更大貢獻。(解放日報記者 黃海華)

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