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中国成功输出世界最强激光脉冲

海科路100号,两间不到800平方米的实验室,摆放着五颜六色的晶体、长长的真空管等装置,看上去没有什么特别之处。就是在这里,中科院上海光机所—上海科技大学超强激光光源联合实验室,日前成功实现了5拍瓦激光脉冲输出。这是目前已知的世界最高激光脉冲峰值功率,有望明年年底成为世界首个实现10拍瓦激光输出的装置。
 

  超强超短是什么概念?1拍瓦等于1千万亿瓦,相当于全球电网平均功率的500倍,1飞秒等于1秒的1千万亿分之一。普通照相机最快可以达到毫秒级,这相当于飞秒级照相机的科学装置,可为电子运动轨迹成像。

上海成功输出世界最强激光脉冲

  超强超短激光有何应用价值
 

  今年3月,我国科学家首次利用激光产生反物质。这正是上海超强超短激光实验装置的一个成果,它可以在材料内部制造出反物质,也就是大量正电子,与材料内部带负荷的电子发生湮灭,当电子的全部质量转变成电磁辐射,并以伽马光子射出,再检测这些光子,就能间接地探测到材料的内部情况。未来,这一成果还可能用于真空结构和暗物质的探测。
 

  这还只是超强超短激光应用的冰山一角。它为人类提供了前所未有的极端物理条件与全新实验手段,自然界中只有在恒星内部或是黑洞边缘才能找到的高能量密度(单位体积内包含的能量)极端条件已有可能在实验室内创造。举例来说,解析一个蛋白质的结构,对于揭示生命的奥秘意义重大,超强超短激光可用于研制台式化电子加速器和超快X射线源,对蛋白质中的原子运动进行成像探测;目前用于癌症治疗的传统质子加速器,体积庞大,超强超短激光可用于研制小型化激光质子刀;材料的很多根本特性是由电子特性来决定的,电子运动的速度比原子还要快,超强超短激光正是“以快制快”,其阿秒(1阿秒=10-18秒)脉冲可以用于探测原子内电子的运动,推动材料科学的进步。一言以蔽之,它在台式化加速器、超快化学、阿秒科学、材料科学、激光聚变、核物理与核医学、高能物理等领域都具有重大应用价值。
 

  早在2010年,《自然》就预测未来10年激光领域可能实现5项重大突破,其中4项与超强激光直接相关。《科学》也发专文指出,“这项工作将影响每一项研究,从聚变到天体物理。”正因为此,超强超短激光成为了国际上激光科技的最新发展前沿与竞争重点领域。多个国家投巨资开展10拍瓦级激光装置的研制。欧盟计划于2018年建成10拍瓦激光装置,法国和英国也正在研制各自的10拍瓦激光装置,美、俄、日等则提出了百拍瓦级激光装置的设想。
 

  在国家发改委和上海市共同支持下,以10拍瓦激光装置为核心的上海超强超短激光实验装置的研制已被纳入上海建设具有全球影响力的科创中心、打造世界级重大科技基础设施集群的首批重大项目,也将是上海张江综合性国家科学中心的核心平台之一。
 

  为什么10拍瓦是一道坎
 

  为什么各国都把建成10拍瓦激光装置作为重要的目标?上海光机所强场激光物理国家重点实验室主任冷雨欣介绍,10拍瓦是一道坎,建设难度大,同时应用范围广,一旦建成可以更好地提供极端物理条件与全新实验手段。
 

  “每步都很难,10拍瓦更是难上加难。”冷雨欣说,从1996年研制出钛宝石2.8太瓦(1拍瓦=1千太瓦)激光装置算起,科研团队为之奋斗了整整20年。2007年为了研制当时世界最高钛宝石功率0.89拍瓦的激光装置,科研人员顶着压力,没日没夜地干。当时,实验室的装置需要预热,大家轮流早晨6时就赶到实验室把空调打开。等到调节好设备开始实验,差不多就到了下午,没有一个人舍得按时下班,都喜欢在实验室工作到深夜。
 

  天道酬勤。2013年团队研制成功了当时国际最高峰值功率2拍瓦激光放大系统,此前国际最高激光峰值功率是由美国劳伦斯—利弗莫尔国家实验室1999年创造并保持14年领先地位的1.5拍瓦。
 

  这一领跑优势一直保持到了今天。如果说激光放大技术是一座高峰,把脉冲时间压缩到趋于无穷小则是一座更高的险峰。能量不变的情况下,只有当时间趋于无穷小时,功率才会趋于无穷大。就在今年8月,科研团队解决了激光放大和脉冲压缩的关键技术问题,实现了5拍瓦激光脉冲输出。
 

  科学家预测,未来5年,激光的聚焦强度可能超过1023W/cm2,甚至更高量级。这么大的光强意味着什么?估算一下,1021W/cm2相当于地球接收到的太阳总能量聚焦到头发丝粗细的尺度。如此巨大的光强,人们可能会担心超强超短激光装置是否会带来辐射。科研人员解释说,尽管超强超短激光的功率达到拍瓦级,但因为时间达到飞秒级,其能量还不如一瓶可乐,在脉冲持续时间里,只有大约200焦耳的能量。需要知道的是,一台2千瓦的微波炉如果工作1秒钟,就能产生2千焦耳的能量,连牛奶都转不热。总体而言,超强超短激光装置产生的辐射很小,只需进行实验室防护即可。
 

  据介绍,这一项目预计明年年底将首批建成极端条件材料科学研究平台、超快亚原子物理研究平台、超快化学与大分子动力学研究平台等3个用户实验终端,服务于物质科学与生命科学的研究。


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