超强超短激光驱动的小型化自由电子激光新概念:) i& g$ H1 Z8 k$ F8 h7 B
超强超短激光与一根“头发丝”尺寸的微金属丝相互作用,在产生高能电子束的同时,巧妙地利用电荷分离效应构建了微型、瞬态的电子波荡器,获得了效率优于传统方案10倍以上的强太赫兹辐射,也为小型化、低成本自由电子激光器提出全新方案。
: l7 P* T2 x: v/ o尾波场电子加速研究 中科院上海光机所强场激光物理国家重点实验室于2011年7月15日首次利用电离注入的全光驱动双尾波场级联电子加速器方案,成功实现了电子注入与电子加速的两个基本物理过程的分离与控制。+ _( J4 n$ e- u4 ?* s6 J! R
该实验获得了能量近GeV的准单能电子束和187 GV/m的超高加速梯度等突破性研究成果。
7 i' t; D6 v3 b2 Y c) `这将是未来实现高性能10 GeV量级甚至更高能的单能电子束的可行方案,特别是对台式化X射线自由电子激光等领域的发展具有重要的推动意义。 T; Y& k& W" }
尾波场电子加速实验装置 质子成像) F$ A$ X1 i# b& S9 T
质子照相作为一种密度诊断手段,可利用微分截止和散射来显示样本静态或动态的密度变化,是目前探测等离子体中电磁场的唯一方法。9 e4 a; l- `3 M A
在过去的几年中,质子照相技术已经得到广泛应用,在实验中成功探测到瞬时场的数据。1 _: Y3 W' G n, U3 z& r; A0 L
中科院上海光机所强场激光物理国家重点实验室升级的拍瓦激光系统已经可以成功产生10MeV以上的质子束,成功利用飞秒拍瓦激光系统对蜻蜓进行了质子成像。# d5 Z4 B5 l/ O) p" d( {0 ~5 s
这也是拍瓦激光系统第一次通过缩小物距实现了蜻蜓的清晰成像。获得了蜻蜓的等比例整体成像,同时分辨率达到微米量级。
) T' _: T3 i$ B( q8 a; W6 Y r质子成像实验,(a)蜻蜓样本,(b)PW激光,(c)第一层(d)第二层RCF上蜻蜓成像 成像结果,蜻蜓(a)脚部、(b)尾巴、(c)头部和(d)翅膀的细微成像,(e)尾巴放大 寻找暗物质
4 R" C9 [+ N7 \1 N X) d“暗物质”被比作“笼罩在21世纪物理学天空中的乌云”。它由万有引力定律证实存在,却从未被直接探测到。科学家估算,宇宙中包含5%的普通物质,其余95%是看不见的暗物质和暗能量。揭开暗物质之谜将推动人类解释宇宙的存在和演化。
" Q4 T& e- ~" t6 [6 v轴子,是暗物质的重要候选者之一。由于它几乎不和其他物质相互作用,至今没有被观测到。但超强激光提供的超强电磁场有可能成为探测轴子的科学手段。
/ I; _+ [- U) ~9 P( h4 H( o探究真空奥秘
0 x& Y& ~( m( Z7 ~! B真空,真的空无一物吗?/ d. G4 j$ q# t; b4 Y
在经典物理概念中,它确实是空的,但量子电动力学(QED)预言,真空不空,量子涨落无处不在,虚粒子对不断产生、消失。6 Z* i5 | E5 S4 H3 R8 W
真空的神秘特性是QED最令人激动的预言,未来的激光强度将高达10^23-25瓦/平方厘米,超强的光场可以激发真空的QED特性,使真空具备物质属性!
% z& ~5 S$ @( a- e" Z超强超短激光与高能光子源结合,将使人类第一次拥有窥视真空奥秘的机会,其中任何一个发现,都将是历史性的。
4 L$ L% }# i- G1 s" s激光引雷研究6 y1 b7 G6 p, M2 r# K0 L; ?
利用超强超短激光开展雷电控制应用研究受到世界上许多国家的高度重视,中科院上海光机所强场激光物理国家重点实验室是国内最早开展相关研究为数不多的几家单位之一。
: d! p) ` W/ g该实验室的研究人员基于以前的研究基础,实验上首次观察到了激光诱导电晕放电现象并对这一发现展开了深入的研究。
9 F6 r7 p3 v' [/ j; t% ]; {& D这一成果为深入理解高压电场沿着光丝的发展和演化过程以至于最终实现激光控制雷电提供了重要的科学依据。$ X5 C8 M4 w2 N. x3 @8 L; o
(a)高压电场空气击穿放电,(b)激光诱导高压电场空气击穿放电,(c)激光诱导高压电场电晕放电,(d)激光引雷概念 高功率激光物理联合实验室拍瓦激光研究历程:- Q9 e6 ?% s; w6 ~8 x
据高功率激光物理联合实验室谢兴龙研究员回顾,实验室高功率超短脉冲激光的研究,最早要追溯到1996年,当时世界上第一台拍瓦(美国LLNL实验室利用NOVA的一路,采用CPA技术获得了1.24PW的输出)激光报道之后,实验室在林尊琪院士的指导下,通过国家863高技术的支持,依托联合室的两路钕玻璃激光系统,于2000年实现了20TW(1ps、20J)的输出,后来为了配合物理实验,又增加了一束20J、1.0ns的长脉冲与短脉冲同步运行,这是中国第一台皮秒级别的高功率超短脉冲激光系统。该系统从2003年正式运行到2008年总共开展了十几轮物理实验,其中超短脉冲轰击中子靶实验,获得了2.4×104的中子产额,这是国内第一次该类物理试验,与国际同期水平相当。! ^9 ^" u P( V8 Y5 M. H+ |
中国目前最具代表性和里程碑式的高功率超短脉冲激光系统,是高功率激光物理实验室于2013年完成的皮秒拍瓦超短脉冲激光系统,该系统目前是国内唯一可以提供给物理实验的拍瓦级超短脉冲激光系统。该系统的概念最早在1998年提出,依托高功率激光物理联合实验室刚刚投入运行的第九路激光,采用CPA技术,实现1kJ、1ps的输出,并开展ICF快点火的前期研究。系统2008年开始建造,由中国工程院、中国科学院和863高技术三家共同支持,2013年实现380J、5ps输出,2015年实现1kJ、1ps的拍瓦输出,目前已经成功并入神光II以及神光II升级装置的常规运行中,每年为物理实验提供几百发的打靶输出。" }, H4 I& m) o) L
' {+ C$ s( V# o H9 e, H% ]2009-2014年间,在国家863高技术计划的支持下,高功率激光物理联合实验室开始了800nm波段的高功率超短脉冲激光系统研究技术预研,从2013年开始,高功率激光物理联合实验室依托神光II的纳秒系统,设计了工作波长800nm、输出指标150J/30fs的激光系统,该系统通过三级OPCPA放大单元,最终为物理实验提供5PW的到靶脉冲能量。该系统2016年完成OPCPA_II放大级的建造和调试,实现了大于1PW的超短脉冲输出,并完成了第一轮的质子加速物理实验,下一步的计划是一边优化激光输出,在提供物理实验的同时,完成OPCPA_III放大级的建造和调试。在800nm波段,该系统目前是国内唯一一台可以提供到靶输出的的超短脉冲激光系统。+ a( g+ S: ]$ }8 K# X4 K2 v* @: \
我国高功率激光物理联合室在高功率激光和超短脉冲技术方面的积累,所掌握的技术已经达到了世界的先进水平。
; Y W; y& b( C2 E: W5 K超强超短激光光源的建立与发展,及其广泛的前沿应用具有重要意义。通过在极端物理条件下对物质结构、运动和相互作用进行研究可以使得人类对客观世界规律的认识更加深入和系统。# f* ^$ m& u5 F: J' w# \
可见,超强超短激光光源的建立与发展,及其广泛的前沿应用具有重要意义。为保持我国在该领域的领先地位,引领相关学科和技术的发展,科学家们正在积极努力、不断前行。/ b" ?) P# b' A9 a+ I
谢兴龙先生感叹,回首30年,先辈的努力吾辈的财富,当继承和勇往直前。
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