又一道耀眼的強(qiáng)光在浦東張江亮起———近日，上海張江綜合性國家科學(xué)中心超強(qiáng)超短激光實驗裝置(SULF)完成5拍瓦激光脈沖輸出，這是世界上成功輸出瞬時功率的最高值! 它標(biāo)志我國在該領(lǐng)域達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。SULF的下一個目標(biāo)將是在國際上率先實現(xiàn)10拍瓦激光輸出。
如果把峰值功率1拍瓦的激光聚焦到10微米的大小，其光強(qiáng)就相當(dāng)于將照到地球上的所有太陽能量聚焦到一根頭發(fā)絲上，這是人類已知的最高光強(qiáng)光源。未來數(shù)年，SULF將與上海光源、軟X射線自由電子激光一起，組成張江“超級光源”，成為照亮科學(xué)前沿、探索技術(shù)高地的一大中流砥柱，也為上海建設(shè)具有全球影響力的科創(chuàng)中心提供有力支撐。
用微波爐0.1秒能量產(chǎn)生反物質(zhì)
換上白大褂，套上鞋套和頭套，經(jīng)過風(fēng)淋房，記者走進(jìn)位于上?？萍即髮W(xué)教學(xué)樓的中科院上海光機(jī)所-上科大超強(qiáng)激光光源聯(lián)合實驗室。
萬級超凈實驗室里，各種各樣的反射、濾光玻璃，以及不銹鋼真空管道、壓縮器，放滿了實驗桌。如果不打開光源，沒有任何連接的玻璃，看起來似乎是隨意擺放的，其實它們的所有擺放位置都經(jīng)過十分精確的調(diào)試。
實驗室分為兩間，一間是光源初始的地方，閃爍的綠光通過處理，頻率變得符合科學(xué)家的需要，能量增加到7焦耳。此時，它通過墻上的一個圓孔來到另一個房間，在這里，它將被增強(qiáng)為在飛秒級時間內(nèi)爆發(fā)出拍瓦級強(qiáng)大功率的超級激光。
1拍瓦相當(dāng)于1秒鐘內(nèi)釋放出1千萬億焦耳的能量，這巨大的能量即便將一個小型湖泊的水煮開也綽綽有余。然而，激光脈沖存在的時間卻非常短，只有幾十飛秒，1飛秒即千萬億分之一秒。所以，每個激光脈沖實際包含的能量卻非常小。“我們達(dá)到5拍瓦的激光輸出，其實每個激光脈沖能量還不到200焦耳。”中科院上海光機(jī)所所長李儒新說，“這只相當(dāng)于普通微波爐開動高火0.1秒鐘的能量。”
然而，就在這短短的一瞬間，科學(xué)家可以利用這特殊的激光，模擬出極端物理環(huán)境，比如恒星內(nèi)部、黑洞邊緣，在實驗室中產(chǎn)生反物質(zhì)、探測暗物質(zhì)，進(jìn)而研究真空———因為我們所認(rèn)為的真空，其實并不是“真的空”，其中蘊含的奧秘，有待SULF及其升級裝置去揭開。
雙脈沖為鈦寶石晶體注入能量
英國《自然》雜志曾經(jīng)在2010年預(yù)測未來十年重要科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展方向。
激光領(lǐng)域的五大突破中，有4項與超強(qiáng)超短激光直接相關(guān)。
世界各國都在大力發(fā)展超強(qiáng)超短激光光源，以及依托其的前沿科技創(chuàng)新平臺，這一領(lǐng)域的國際競爭非常激烈。2012年，歐盟投資8.5億歐元，計劃于2018年建成10拍瓦的激光用戶裝置，開創(chuàng)激光與物質(zhì)相互作用研究與應(yīng)用的新時代。美、俄、日等國也紛紛提出各自的百拍瓦級超強(qiáng)超短激光裝置研究設(shè)想。
然而，5拍瓦的首次激光輸出，卻被中科院上海光機(jī)所—上科大聯(lián)合實驗室拔得頭籌。2013年，上海光機(jī)所團(tuán)隊在世界上率先研制成功2拍瓦的激光放大系統(tǒng)，為當(dāng)時國際最高峰值功率。此前14年，這頂桂冠一直被美國勞倫斯·里弗莫爾國家實驗室所持有。
去年年底，該團(tuán)隊研制成功5拍瓦激光放大技術(shù)驗證系統(tǒng)。“當(dāng)功率高到一定程度，再提高哪怕一點點，都相當(dāng)困難。”裝置主要研發(fā)人員、上海光機(jī)所梁曉燕研究員說，突破的關(guān)鍵在于如何將更高能量傳遞給輸出的激光脈沖。
科研人員面對的第一個難題，就是寄生振蕩。當(dāng)其他光作為能量注入晶體時，總會有些搗亂的光子，它們會在晶體里不按規(guī)定路線奔跑，并不斷放大，消耗掉越來越多的能量?？蒲腥藛T想出辦法，及時消除了這些搗亂的光子。得到高效放大的激光脈沖再被送入真空壓縮罐，壓縮到24飛秒，達(dá)到5拍瓦的超高功率。
還有一個技術(shù)瓶頸是用于激光放大的晶體材料。要達(dá)到10拍瓦功率，就需要制備200毫米以上直徑的鈦寶石晶體，而目前這樣的晶體還沒人能做出來。目前要達(dá)到5拍瓦功率，所使用的是150毫米直徑的鈦寶石晶體。上海光機(jī)所2014年研發(fā)成功這種口徑的鈦寶石晶體，目前正在研發(fā)200毫米口徑的鈦寶石晶體。
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