中國(guó)實(shí)現(xiàn)最強(qiáng)激光脈沖峰值 有何重要意義？

• 2017年10月29日 ZhangHongYuan來(lái)源：熊貓財(cái)經(jīng) 1371 90
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  2017-2022年針孔廣角攝像頭行業(yè)風(fēng)險(xiǎn)投資態(tài)勢(shì)及投融資策略指引報(bào)告

  第一部分 針孔廣角攝像頭行業(yè)風(fēng)投分析 第一章 針孔廣角攝像頭行業(yè)發(fā)展綜述 第一節(jié) 針孔廣角攝像頭行業(yè)定義及分類 一、行業(yè)定義 二、行業(yè)主要產(chǎn)品分類 三、行業(yè)特性及在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位...

這是目前已知的世界最高激光脈沖峰值功率，達(dá)到國(guó)際同類研究的領(lǐng)先水平。

中國(guó)實(shí)現(xiàn)最強(qiáng)激光脈沖峰值 有何重要意義？

10月24日晚，中科院上海光機(jī)所和上?？萍即髮W(xué)超強(qiáng)激光光源聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室傳出喜訊：上海超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置(SULF)的研制工作取得重大突破，成功實(shí)現(xiàn)了10拍瓦激光放大輸出，這是目前已知的世界最高激光脈沖峰值功率，達(dá)到國(guó)際同類研究的領(lǐng)先水平。

這是SULF裝置2016年8月實(shí)現(xiàn)5拍瓦國(guó)際領(lǐng)先成果之后再次取得重大進(jìn)展。SULF裝置計(jì)劃于2018年底全面建成，2019年對(duì)用戶開(kāi)放。

超強(qiáng)超短激光的科技前沿應(yīng)用極為廣泛，故國(guó)際上多個(gè)國(guó)家投入巨資開(kāi)展10拍瓦級(jí)大型超強(qiáng)超短激光裝置的研制，展開(kāi)激烈的科研競(jìng)爭(zhēng)。

超強(qiáng)超短激光，一般是指峰值功率大于1太瓦(1太瓦=1萬(wàn)億瓦)，脈沖寬度小于100飛秒(1飛秒等于1千萬(wàn)億分之一秒)的激光。此次成功實(shí)現(xiàn)的10拍瓦激光放大輸出，則等于1億億瓦，相當(dāng)于全球電網(wǎng)平均功率的5000倍。100飛秒是怎樣的瞬間呢?100飛秒相當(dāng)于十萬(wàn)億分之一秒，即使每秒飛行30萬(wàn)千米的光，在這么超短的時(shí)間內(nèi)也只能走一根頭發(fā)絲粗細(xì)的距離。此次激光脈沖寬度經(jīng)過(guò)脈沖壓縮器壓縮后僅僅為21飛秒。

去年3月，我國(guó)科學(xué)家首次利用超強(qiáng)超短激光產(chǎn)生反物質(zhì)。這還只是超強(qiáng)超短激光應(yīng)用的冰山一角。超強(qiáng)超短激光能在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)創(chuàng)造出前所未有的超強(qiáng)電磁場(chǎng)、超高能量密度和超快時(shí)間尺度等綜合性極端物理?xiàng)l件，這是之前只有在核爆中心、恒星內(nèi)部、黑洞邊緣才能找到的極端物理?xiàng)l件，可用于研制激光質(zhì)子刀以治療癌癥;制造臺(tái)式化電子加速器和產(chǎn)生超快X射線源對(duì)蛋白質(zhì)探測(cè)成像;研究天體物理和宇宙起源，將來(lái)還可能用于真空結(jié)構(gòu)和暗物質(zhì)的探測(cè)等。

超強(qiáng)超短激光研究推動(dòng)著激光科學(xué)、原子分子物理、等離子體物理、高能物理與核物理等一批基礎(chǔ)與前沿交叉學(xué)科的開(kāi)拓和發(fā)展。

同時(shí)這也將為相關(guān)戰(zhàn)略高技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展，如高亮度新波段相干光源，超高梯度高能粒子加速器、強(qiáng)場(chǎng)激光核醫(yī)學(xué)、聚變能源、精密測(cè)量等提供原理依據(jù)與科學(xué)基礎(chǔ)，對(duì)其有著不可替代的強(qiáng)大推動(dòng)作用。

一場(chǎng)國(guó)際競(jìng)賽

正是因?yàn)槌瑥?qiáng)超短激光在臺(tái)式化加速器、超快化學(xué)、阿秒科學(xué)、材料科學(xué)、激光聚變、核物理與核醫(yī)學(xué)、實(shí)驗(yàn)室天體物理等領(lǐng)域具有重大應(yīng)用價(jià)值，國(guó)際上多個(gè)國(guó)家投入巨資開(kāi)展10拍瓦級(jí)大型超強(qiáng)超短激光裝置的研制，展開(kāi)激烈的科研競(jìng)爭(zhēng)。

歐盟10多個(gè)國(guó)家的近40個(gè)研究院所和科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合提出Extreme Light Infrastructure(ELI)，2012年以來(lái)，ELI計(jì)劃陸續(xù)啟動(dòng)了3個(gè)子項(xiàng)目的研究，投入經(jīng)費(fèi)8.5億歐元，計(jì)劃于2017年研制數(shù)臺(tái)10拍瓦超強(qiáng)超短激光并建成用戶裝置，同時(shí)為下一步研制200拍瓦級(jí)超強(qiáng)激光大科學(xué)裝置打下基礎(chǔ)，ELI下設(shè)四大研究裝置，分別為捷克布拉格束線裝置(ELI-Beamlines Facility)，匈牙利賽格德阿秒裝置(ELI-Attosecond Facility)，羅馬尼亞默古雷萊的核物理裝置(ELI-Nuclear Physics Facility)，以及尚未定址的超強(qiáng)場(chǎng)裝置(ELI-Ultrra High Field Facility)。

然而，今年3月有報(bào)道稱，由于ELI分散的結(jié)構(gòu)以及經(jīng)費(fèi)問(wèn)題，200拍瓦級(jí)的“巨星”裝置研發(fā)已經(jīng)擱淺。負(fù)責(zé)當(dāng)時(shí)選址的專家主席、意大利米蘭理工大學(xué)的Sandro De Silvestri表示，沒(méi)有哪個(gè)國(guó)家能夠承擔(dān)6億歐元的建設(shè)費(fèi)用。

在2016年11月的ELI顧問(wèn)委員會(huì)上，委員們建議，在3臺(tái)10拍瓦級(jí)的激光裝置完成并正常運(yùn)轉(zhuǎn)前，不再考慮“巨星”的選址問(wèn)題。而這一拖很可能就要等到2022年。布加勒斯特的ELI監(jiān)督和發(fā)展委員會(huì)的副總干事Catalin Miron表示認(rèn)可這一決議：“這將會(huì)促使ELI聯(lián)盟更加專注于我們現(xiàn)階段的任務(wù)?！?/p>

巴黎綜合理工大學(xué)的物理學(xué)家、中科院愛(ài)因斯坦講席教授杰哈?莫羅(Gérard Mourou)認(rèn)為暫停200PW激光器的提議是錯(cuò)誤的，他認(rèn)為，這種超高能量密度的激光將會(huì)在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域帶來(lái)開(kāi)創(chuàng)性的突破。在這種能量強(qiáng)度下質(zhì)子將會(huì)接近甚至達(dá)到光速，“破壞”真空，從而能夠利用它研究量子力學(xué)揭示的真空中各種虛粒子。雖然Mourou理解完成其他三個(gè)激光裝置的需求，但是他認(rèn)為推遲發(fā)展更先進(jìn)的高功率激光技術(shù)將會(huì)把這個(gè)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位拱手相讓給其他國(guó)家。他說(shuō)：“這正是我所擔(dān)心的?！?/p>

當(dāng)時(shí)，莫羅教授還指出了其他國(guó)家的進(jìn)步，他說(shuō)，2016年8月，中國(guó)上海的一個(gè)裝置打破了5.3PW的最高激光脈沖峰值功率記錄，他們也計(jì)劃2019年完成10PW的激光裝置建設(shè)，另外100PW的激光裝置也在籌劃當(dāng)中。日本、俄羅斯、美國(guó)等國(guó)也在進(jìn)行超高功率裝置的研制。美國(guó)科學(xué)家計(jì)劃升級(jí)其位于紐約羅切斯特大學(xué)的OMEGA EP激光器，使其功率達(dá)到75PW。

參與設(shè)計(jì)HAPLS裝置的勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家Constantin Haefner聲稱：“這就是一場(chǎng)競(jìng)賽。”

現(xiàn)在ELI聯(lián)盟需要將分散于三個(gè)國(guó)家的建設(shè)項(xiàng)目轉(zhuǎn)變成一個(gè)獨(dú)立完整的面向國(guó)際用戶的大科學(xué)裝置，進(jìn)而從其他國(guó)家吸納基金支持用于補(bǔ)充其約8千萬(wàn)歐元的年運(yùn)行經(jīng)費(fèi)。ELI顧問(wèn)委員會(huì)主席De Silvestri說(shuō)道：“整合并啟用現(xiàn)有的三個(gè)裝置當(dāng)前更為緊要，我們并沒(méi)有忘記200PW的第四個(gè)裝置，只是我們需要一步一步地來(lái)。”

一些估算表明，歐洲的200PW激光器項(xiàng)目將會(huì)耗資約10億歐元。但是Mourou正在進(jìn)行一項(xiàng)技術(shù)研究，通過(guò)縮短激光脈沖將10PW激光器改造成100PW激光器，他表示自己這項(xiàng)研究?jī)H需花費(fèi)3千萬(wàn)歐元。他說(shuō)：“我們之前認(rèn)為這第四套裝置將會(huì)造價(jià)高昂，但是如果我們足夠聰明，我們能夠用少得多的經(jīng)費(fèi)完成目標(biāo)?！?/p>

關(guān)于超強(qiáng)超短激光的具體應(yīng)用，有以下幾個(gè)例子：

研究反物質(zhì)

每一種粒子都有一個(gè)與之相對(duì)的反粒子。

理論認(rèn)為，反物質(zhì)只要和正物質(zhì)相遇就會(huì)湮滅。因此難以產(chǎn)生和保存，目前科學(xué)家很難在宇宙中找到反物質(zhì)，轉(zhuǎn)而在實(shí)驗(yàn)室的極端條件下嘗試獲取，這也成為物理學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

2016年，中科院上海光機(jī)所在國(guó)內(nèi)首次成功利用超強(qiáng)超短激光產(chǎn)生一種反物質(zhì)——超快正電子源，這一發(fā)現(xiàn)未來(lái)將在材料的無(wú)損探測(cè)、激光驅(qū)動(dòng)正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)、癌癥診斷技術(shù)研發(fā)等領(lǐng)域得到重大應(yīng)用，并入選兩院院士評(píng)選的2016年度“中國(guó)十大科技進(jìn)展新聞”。

微型自由電子激光器

超強(qiáng)超短激光驅(qū)動(dòng)的小型化自由電子激光新概念：

超強(qiáng)超短激光與一根“頭發(fā)絲”尺寸的微金屬絲相互作用，在產(chǎn)生高能電子束的同時(shí)，巧妙地利用電荷分離效應(yīng)構(gòu)建了微型、瞬態(tài)的電子波蕩器，獲得了效率優(yōu)于傳統(tǒng)方案10倍以上的強(qiáng)太赫茲輻射，也為小型化、低成本自由電子激光器提出全新方案。

尾波場(chǎng)電子加速研究

中科院上海光機(jī)所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室于2011年7月15日首次利用電離注入的全光驅(qū)動(dòng)雙尾波場(chǎng)級(jí)聯(lián)電子加速器方案，成功實(shí)現(xiàn)了電子注入與電子加速的兩個(gè)基本物理過(guò)程的分離與控制。

該實(shí)驗(yàn)獲得了能量近GeV的準(zhǔn)單能電子束和187 GV/m的超高加速梯度等突破性研究成果。

這將是未來(lái)實(shí)現(xiàn)高性能10 GeV量級(jí)甚至更高能的單能電子束的可行方案，特別是對(duì)臺(tái)式化X射線自由電子激光等領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的推動(dòng)意義。

質(zhì)子成像

質(zhì)子照相作為一種密度診斷手段，可利用微分截止和散射來(lái)顯示樣本靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的密度變化，是目前探測(cè)等離子體中電磁場(chǎng)的唯一方法。

在過(guò)去的幾年中，質(zhì)子照相技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，在實(shí)驗(yàn)中成功探測(cè)到瞬時(shí)場(chǎng)的數(shù)據(jù)。

中科院上海光機(jī)所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室升級(jí)的拍瓦激光系統(tǒng)已經(jīng)可以成功產(chǎn)生10MeV以上的質(zhì)子束，成功利用飛秒拍瓦激光系統(tǒng)對(duì)蜻蜓進(jìn)行了質(zhì)子成像。

這也是拍瓦激光系統(tǒng)第一次通過(guò)縮小物距實(shí)現(xiàn)了蜻蜓的清晰成像。獲得了蜻蜓的等比例整體成像，同時(shí)分辨率達(dá)到微米量級(jí)。

尋找暗物質(zhì)

“暗物質(zhì)”被比作“籠罩在21世紀(jì)物理學(xué)天空中的烏云”。它由萬(wàn)有引力定律證實(shí)存在，卻從未被直接探測(cè)到。科學(xué)家估算，宇宙中包含5%的普通物質(zhì)，其余95%是看不見(jiàn)的暗物質(zhì)和暗能量。揭開(kāi)暗物質(zhì)之謎將推動(dòng)人類解釋宇宙的存在和演化。

軸子，是暗物質(zhì)的重要候選者之一。由于它幾乎不和其他物質(zhì)相互作用，至今沒(méi)有被觀測(cè)到。但超強(qiáng)激光提供的超強(qiáng)電磁場(chǎng)有可能成為探測(cè)軸子的科學(xué)手段。

探究真空奧秘

真空，真的空無(wú)一物嗎?

在經(jīng)典物理概念中，它確實(shí)是空的，但量子電動(dòng)力學(xué)(QED)預(yù)言，真空不空，量子漲落無(wú)處不在，虛粒子對(duì)不斷產(chǎn)生、消失。

真空的神秘特性是QED最令人激動(dòng)的預(yù)言，未來(lái)的激光強(qiáng)度將高達(dá)10^23-25瓦/平方厘米，超強(qiáng)的光場(chǎng)可以激發(fā)真空的QED特性，使真空具備物質(zhì)屬性!

超強(qiáng)超短激光與高能光子源結(jié)合，將使人類第一次擁有窺視真空奧秘的機(jī)會(huì)，其中任何一個(gè)發(fā)現(xiàn)，都將是歷史性的。

激光引雷研究

利用超強(qiáng)超短激光開(kāi)展雷電控制應(yīng)用研究受到世界上許多國(guó)家的高度重視，中科院上海光機(jī)所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室是國(guó)內(nèi)最早開(kāi)展相關(guān)研究為數(shù)不多的幾家單位之一。

該實(shí)驗(yàn)室的研究人員基于以前的研究基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)上首次觀察到了激光誘導(dǎo)電暈放電現(xiàn)象并對(duì)這一發(fā)現(xiàn)展開(kāi)了深入的研究。

這一成果為深入理解高壓電場(chǎng)沿著光絲的發(fā)展和演化過(guò)程以至于最終實(shí)現(xiàn)激光控制雷電提供了重要的科學(xué)依據(jù)。

高功率激光物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室拍瓦激光研究歷程：

據(jù)高功率激光物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室謝興龍研究員回顧，實(shí)驗(yàn)室高功率超短脈沖激光的研究，最早要追溯到1996年，當(dāng)時(shí)世界上第一臺(tái)拍瓦(美國(guó)LLNL實(shí)驗(yàn)室利用NOVA的一路，采用CPA技術(shù)獲得了1.24PW的輸出)激光報(bào)道之后，實(shí)驗(yàn)室在林尊琪院士的指導(dǎo)下，通過(guò)國(guó)家863高技術(shù)的支持，依托聯(lián)合室的兩路釹玻璃激光系統(tǒng)，于2000年實(shí)現(xiàn)了20TW(1ps、20J)的輸出，后來(lái)為了配合物理實(shí)驗(yàn)，又增加了一束20J、1.0ns的長(zhǎng)脈沖與短脈沖同步運(yùn)行，這是中國(guó)第一臺(tái)皮秒級(jí)別的高功率超短脈沖激光系統(tǒng)。該系統(tǒng)從2003年正式運(yùn)行到2008年總共開(kāi)展了十幾輪物理實(shí)驗(yàn)，其中超短脈沖轟擊中子靶實(shí)驗(yàn)，獲得了2.4×104的中子產(chǎn)額，這是國(guó)內(nèi)第一次該類物理試驗(yàn)，與國(guó)際同期水平相當(dāng)。

中國(guó)目前最具代表性和里程碑式的高功率超短脈沖激光系統(tǒng)，是高功率激光物理實(shí)驗(yàn)室于2013年完成的皮秒拍瓦超短脈沖激光系統(tǒng)，該系統(tǒng)目前是國(guó)內(nèi)唯一可以提供給物理實(shí)驗(yàn)的拍瓦級(jí)超短脈沖激光系統(tǒng)。該系統(tǒng)的概念最早在1998年提出，依托高功率激光物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室剛剛投入運(yùn)行的第九路激光，采用CPA技術(shù)，實(shí)現(xiàn)1kJ、1ps的輸出，并開(kāi)展ICF快點(diǎn)火的前期研究。系統(tǒng)2008年開(kāi)始建造，由中國(guó)工程院、中國(guó)科學(xué)院和863高技術(shù)三家共同支持，2013年實(shí)現(xiàn)380J、5ps輸出，2015年實(shí)現(xiàn)1kJ、1ps的拍瓦輸出，目前已經(jīng)成功并入神光II以及神光II升級(jí)裝置的常規(guī)運(yùn)行中，每年為物理實(shí)驗(yàn)提供幾百發(fā)的打靶輸出。

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