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风淋室成功引用于中科院上海光机所
发布时间:2017-04-11   点击次数:164次
上海张江综合性国家科学中心超强超短激光实验装置将与上海光源、软X射线自由电子激光一起,组成张江“超级光源”,成为照亮科学前沿、探索技术高地的一大中流砥柱,也为上海建设具有全球影响力的科创中心提供有力支撑。图为在实验室内,由各种透镜设备组成的光路。叶辰亮摄

  又一道耀眼的强光在浦东张江亮起———近日,上海张江综合性国家科学中心超强超短激光实验装置(SULF)完成5拍瓦激光脉冲输出,这是世界上成功输出瞬时功率的最高值! 它标志我国在该领域达到了国际领先水平。SULF的下一个目标将是在国际上率先实现10拍瓦激光输出。

  如果把峰值功率1拍瓦的激光聚焦到10微米的大小,其光强就相当于将照到地球上的所有太阳能量聚焦到一根头发丝上,这是人类已知的最高光强光源。未来数年,SULF将与上海光源、软X射线自由电子激光一起,组成张江“超级光源”,成为照亮科学前沿、探索技术高地的一大中流砥柱,也为上海建设具有全球影响力的科创中心提供有力支撑。

  用微波炉0.1秒能量产生反物质

  换上白大褂,套上鞋套和头套,经过风淋房,记者走进位于上海科技大学教学楼的中科院上海光机所-上科大超强激光光源联合实验室。

  万级超净实验室里,各种各样的反射、滤光玻璃,以及不锈钢真空管道、压缩器,放满了实验桌。如果不打开光源,没有任何连接的玻璃,看起来似乎是随意摆放的,其实它们的所有摆放位置都经过十分精确的调试。

  实验室分为两间,一间是光源初始的地方,闪烁的绿光通过处理,频率变得符合科学家的需要,能量增加到7焦耳。此时,它通过墙上的一个圆孔来到另一个房间,在这里,它将被增强为在飞秒级时间内爆发出拍瓦级强大功率的超级激光。

  1拍瓦相当于1秒钟内释放出1千万亿焦耳的能量,这巨大的能量即便将一个小型湖泊的水煮开也绰绰有余。然而,激光脉冲存在的时间却非常短,只有几十飞秒,1飞秒即千万亿分之一秒。所以,每个激光脉冲实际包含的能量却非常小。“我们达到5拍瓦的激光输出,其实每个激光脉冲能量还不到200焦耳。”中科院上海光机所所长李儒新说,“这只相当于普通微波炉开动高火0.1秒钟的能量。”

  然而,就在这短短的一瞬间,科学家可以利用这特殊的激光,模拟出极端物理环境,比如恒星内部、黑洞边缘,在实验室中产生反物质、探测暗物质,进而研究真空———因为我们所认为的真空,其实并不是“真的空”,其中蕴含的奥秘,有待SULF及其升级装置去揭开。

  双脉冲为钛宝石晶体注入能量

  英国《自然》杂志曾经在2010年预测未来十年重要科学领域的发展方向。

  激光领域的五大突破中,有4项与超强超短激光直接相关。

  世界各国都在大力发展超强超短激光光源,以及依托其的前沿科技创新平台,这一领域的国际竞争非常激烈。2012年,欧盟投资8.5亿欧元,计划于2018年建成10拍瓦的激光用户装置,开创激光与物质相互作用研究与应用的新时代。美、俄、日等国也纷纷提出各自的百拍瓦级超强超短激光装置研究设想。

  然而,5拍瓦的首次激光输出,却被中科院上海光机所—上科大联合实验室拔得头筹。2013年,上海光机所团队在世界上率先研制成功2拍瓦的激光放大系统,为当时国际最高峰值功率。此前14年,这顶桂冠一直被美国劳伦斯·里弗莫尔国家实验室所持有。

  去年年底,该团队研制成功5拍瓦激光放大技术验证系统。“当功率高到一定程度,再提高哪怕一点点,都相当困难。”装置主要研发人员、上海光机所梁晓燕研究员说,突破的关键在于如何将更高能量传递给输出的激光脉冲。

  科研人员面对的第一个难题,就是寄生振荡。当其他光作为能量注入晶体时,总会有些捣乱的光子,它们会在晶体里不按规定路线奔跑,并不断放大,消耗掉越来越多的能量。科研人员想出办法,及时消除了这些捣乱的光子。得到高效放大的激光脉冲再被送入真空压缩罐,压缩到24飞秒,达到5拍瓦的超高功率。

  还有一个技术瓶颈是用于激光放大的晶体材料。要达到10拍瓦功率,就需要制备200毫米以上直径的钛宝石晶体,而目前这样的晶体还没人能做出来。目前要达到5拍瓦功率,所使用的是150毫米直径的钛宝石晶体。上海光机所2014年研发成功这种口径的钛宝石晶体,目前正在研发200毫米口径的钛宝石晶体。

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