據(jù)悉，與會(huì)專家包括徐至展、王乃彥、甘子釗、范滇元、沈文慶、孫承緯、趙政國(guó)等兩院院士，以及十多位國(guó)家杰出青年基金獲得者和多位國(guó)際著名學(xué)者。與會(huì)專家建議，應(yīng)抓住發(fā)展機(jī)遇，基于我國(guó)現(xiàn)有超強(qiáng)激光技術(shù)及相關(guān)光學(xué)材料與元器件的基礎(chǔ)，早日建立10拍瓦乃至更高量級(jí)的超強(qiáng)激光光源，開(kāi)展高水平的國(guó)內(nèi)外合作，加強(qiáng)學(xué)科交叉，進(jìn)一步開(kāi)展前沿物理和高技術(shù)應(yīng)用研究，盡早建成開(kāi)展高水平基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究的基地、高層次國(guó)際交流與合作研究基地以及吸引與聚集優(yōu)秀科學(xué)家和培養(yǎng)青年科技人才的基地。
激光脈沖峰值功率達(dá)到10拍瓦級(jí)（1拍瓦為1000萬(wàn)億瓦）乃至更高量級(jí)、脈沖寬度達(dá)到飛秒級(jí)（1飛秒為千萬(wàn)億分之一秒）的超強(qiáng)激光光源，被認(rèn)為是人類已知的最亮光源，能在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)創(chuàng)造出前所未有的超高能量密度、超強(qiáng)電磁場(chǎng)和超快時(shí)間尺度綜合性極端物理?xiàng)l件，能為人類提供前所未有的實(shí)驗(yàn)手段。
中科院上海光機(jī)所研究員冷雨欣告訴記者，超強(qiáng)超短激光為人類提供的全新極端物理?xiàng)l件，自然界中只有在恒星內(nèi)部或是黑洞邊緣才能找到。與會(huì)專家認(rèn)為，發(fā)展超強(qiáng)激光光源并開(kāi)拓其前沿應(yīng)用十分重要。通過(guò)在極端物理?xiàng)l件下物質(zhì)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)和相互作用的研究，人類對(duì)客觀世界規(guī)律的認(rèn)識(shí)將更加深入和系統(tǒng)化。
專家建議，為保持我國(guó)在超強(qiáng)激光光源領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，當(dāng)前亟待解決一系列科學(xué)和工程技術(shù)問(wèn)題，并且需要巨大的人員和經(jīng)費(fèi)投入；同時(shí)亟須結(jié)合國(guó)家需求，尋找一個(gè)或數(shù)個(gè)最關(guān)鍵的基礎(chǔ)研究和高技術(shù)應(yīng)用作為切入點(diǎn)。
10PW級(jí)超強(qiáng)超短激光研制中
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)室最近在拍瓦（千萬(wàn)億瓦，PW）超強(qiáng)超短激光研究方面取得重要進(jìn)展。拍瓦超強(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)間尺度綜合性極端物理?xiàng)l件，在激光加速、激光聚變、阿秒科學(xué)、天體物理、核物理、高能物理、原子分子物理、核醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有重大應(yīng)用價(jià)值，是國(guó)際激光科技競(jìng)爭(zhēng)前沿之一。國(guó)際上多個(gè)國(guó)家提出了大型超強(qiáng)超短激光裝置研究計(jì)劃，其中，Extreme Light Infrastructure （ELI）計(jì)劃被歐盟納入其大科學(xué)裝置發(fā)展路線圖，目標(biāo)是發(fā)展200PW級(jí)超強(qiáng)超短激光裝置，并計(jì)劃于2017年建成10PW超強(qiáng)超短激光用戶裝置，開(kāi)創(chuàng)激光與物質(zhì)相互作用研究與應(yīng)用的新時(shí)代。英國(guó)和法國(guó)也正在開(kāi)展10PW超強(qiáng)超短激光裝置的研制工作。美、俄、日本等國(guó)也紛紛提出了各自的200PW級(jí)超強(qiáng)超短激光裝置研究計(jì)劃。
上海光機(jī)所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基于在超強(qiáng)超短激光領(lǐng)域二十余年的研究積累與技術(shù)基礎(chǔ)，正在研制10PW級(jí)超強(qiáng)超短激光裝置。該裝置以高對(duì)比度啁啾脈沖放大鏈和光學(xué)參量啁啾脈沖終端放大器相結(jié)合的混合放大器方案為總體技術(shù)路線，利用了啁啾脈沖放大技術(shù)（CPA）的高穩(wěn)定性和高轉(zhuǎn)換效率，以及光學(xué)參量啁啾脈沖放大技術(shù)（OPCPA）的無(wú)橫向寄生振蕩、無(wú)熱效應(yīng)、B積分小等優(yōu)點(diǎn)，充分發(fā)揮CPA和OPCPA兩種激光放大技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，2013年首次在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了CPA/OPCPA混合放大器方案[Optics Letters 38，4837，(2013)]，實(shí)現(xiàn)0.61PW激光脈沖輸出，2014年10月又進(jìn)一步將輸出能力升級(jí)到1PW。這是目前國(guó)際上基于OPCPA放大器獲得的最高激光脈沖能量和最高峰值功率，驗(yàn)證了CPA/OPCPA混合放大器作為10PW級(jí)超強(qiáng)超短激光裝置總體技術(shù)路線的可行性。
該激光裝置主要包括基于鈦寶石晶體的800nm波段寬帶高信噪比CPA放大鏈、基于三硼酸鋰（LBO）晶體的OPCPA終端放大器和激光脈沖壓縮器等幾個(gè)模塊。高信噪比CPA前端采用交叉偏振波脈沖凈化（XPW）技術(shù)，將激光脈沖的信噪比提高到10-11量級(jí)，經(jīng)CPA多通放大到數(shù)焦耳量級(jí)后，注入到終端OPCPA放大器中，采用口徑為100mm×100mm的LBO晶體和非共線相位匹配模式，在脈沖能量為169J的時(shí)空近平頂分布的釹玻璃倍頻激光泵浦下，通過(guò)優(yōu)化泵浦光和信號(hào)光的注入條件，最終獲得45.3J的放大輸出，轉(zhuǎn)換效率接近27%，放大光譜全寬約80nm，壓縮脈寬為32.0fs，壓縮后單脈沖能量32.6J，對(duì)應(yīng)峰值功率1.0PW。該結(jié)果表明基于LBO的OPCPA放大器能夠在800nm附近、大口徑、高通量下實(shí)現(xiàn)寬帶、高轉(zhuǎn)換效率的放大，為基于CPA/OPCPA混合放大技術(shù)路線的10PW超強(qiáng)超短激光裝置的研制奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。
該項(xiàng)研究采用的大口徑LBO晶體由中科院理化所研制，釹玻璃激光泵浦源的研制得到了上海光機(jī)所高功率激光物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室和高功率激光單元技術(shù)研發(fā)中心的幫助，大口徑寬帶介質(zhì)膜由上海光機(jī)所中科院強(qiáng)激光材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供。該項(xiàng)研究得到了國(guó)家863計(jì)劃、國(guó)家973計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)和國(guó)家科技部國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專項(xiàng)等的支持。
美“人造太陽(yáng)”核聚變裝置輸出創(chuàng)紀(jì)錄能量
核聚變是一種核反應(yīng)形式，可釋放出巨大的能量，目前科學(xué)家正在研究可控核聚變的裝置，試圖將其作為未來(lái)的新型能源，研究人員估計(jì)一公斤的核聚變?nèi)剂厢尫懦龅哪芰肯喈?dāng)于1000萬(wàn)公斤化石燃料，美國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF）的科學(xué)家就已經(jīng)對(duì)核聚變自持反應(yīng)所需的聚變點(diǎn)火條件的研究，對(duì)自持反應(yīng)的深入調(diào)查是打開(kāi)可控核聚變大門(mén)的第一步，科學(xué)家們第一次通過(guò)這樣的過(guò)程產(chǎn)生了比以前更多的能量，建造可控核聚變反應(yīng)堆又進(jìn)了一步。
核聚變被認(rèn)為是未來(lái)人類使用的先進(jìn)能源之一，在許多科幻小說(shuō)中提到了通過(guò)便攜式核聚變堆獲得能量的一幕，核聚變也是 宇宙 中非常常見(jiàn)的能量釋放形式，我們的太陽(yáng)就是通過(guò)核聚變產(chǎn)生源源不斷的能量，如果我們能實(shí)現(xiàn)對(duì)核聚變過(guò)程的精密控制，就可能為全世界提供廉價(jià)的能源，但是有研究人員本世紀(jì)內(nèi)可能還無(wú)法實(shí)現(xiàn)使用上廉價(jià)核聚變能量的想法。到目前為止，數(shù)個(gè)世界級(jí)的實(shí)驗(yàn)室正在研制可控核聚變技術(shù)，實(shí)驗(yàn)堆產(chǎn)生的能量比我們投入的能量少得多，用其進(jìn)行發(fā)電顯然不行。根據(jù)英國(guó)廣播公司報(bào)道，位于加利福尼亞州利弗莫爾國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF）的科學(xué)家目前已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)能量的“收支平衡”。
國(guó)家點(diǎn)火裝置擁有192具世界上最強(qiáng)大的激光器，形成相等數(shù)量的激光，并在極短的時(shí)間內(nèi)同時(shí)激發(fā)并命中中央的“燃料球”，后者被瞬間加熱到數(shù)百萬(wàn)度，這一過(guò)程就是“點(diǎn)火”，形成核聚變反應(yīng)后就可以產(chǎn)生能量，以往的實(shí)驗(yàn)中“點(diǎn)火”反應(yīng)后形成的能量還不及激光器輸入的能量，但這一次科學(xué)家首次實(shí)現(xiàn)了釋放能量大于消耗的燃料，其意義是不言而喻的。
利弗莫爾國(guó)家點(diǎn)火裝置是美國(guó)能源部下屬的國(guó)家核安全管理局的核心項(xiàng)目，靶室重達(dá)130噸，通過(guò)192束激光“轟擊”球形聚變?nèi)剂习屑籽b置極為復(fù)雜，是一座超級(jí)激光核聚變點(diǎn)火裝置，轟擊開(kāi)始后的核心溫度達(dá)到數(shù)億度數(shù)量級(jí)，壓力超過(guò)1000億倍的地球大氣壓，核聚變被認(rèn)為是宇宙中先進(jìn)文明必須掌握的能源形式，太陽(yáng)和其他恒星一樣都使用核聚變向周圍宇宙空間中不斷輻射能量。
法國(guó)激光核聚變“升級(jí)”中
在核聚變領(lǐng)域一直處于下風(fēng)的歐洲可能也會(huì)因此變得揚(yáng)眉吐氣。
法國(guó)價(jià)值30億歐元的激光核聚變反應(yīng)實(shí)驗(yàn)室將在反應(yīng)室中置入兆焦級(jí)激光。
對(duì)于任何一個(gè)熟悉激光核聚變的研究人員來(lái)說(shuō)，參觀兆焦耳激光器（lasermégajoule，以下簡(jiǎn)稱LMJ）——去年剛在法國(guó)大西洋沿岸建成的一項(xiàng)耗資30億歐元的研究裝置，都會(huì)產(chǎn)生一種似曾相識(shí)的錯(cuò)覺(jué)。現(xiàn)場(chǎng)所見(jiàn)和美國(guó)加利福尼亞州國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF）可謂“一模一樣”。
LMJ的占地面積和NIF一樣，都約為一個(gè)體育場(chǎng)大小，都是閃亮的白色金屬框架，同樣的方形束射管與10米寬的反應(yīng)室。不同的是，這里的咖啡品種更加豐富，安全管制沒(méi)有那么苛刻，參觀者可訪問(wèn)的地方更大、可獲得的信息量更多。然而，整體來(lái)看走進(jìn)lmj的大門(mén)就像踏入了美國(guó)勞倫斯利物莫國(guó)家實(shí)驗(yàn)室——這是另一個(gè)運(yùn)行NIF的核武器實(shí)驗(yàn)室，只不過(guò)這個(gè)世界由法國(guó)控制。
在NIF與LMJ的武器研究實(shí)驗(yàn)中，研究人員通過(guò)把燃料膠囊包裹在一個(gè)金屬殼中間接向內(nèi)引爆膠囊，這種金屬殼可以通過(guò)激光加熱，反過(guò)來(lái)再用x光炸裂膠囊。這種方法具有一些優(yōu)勢(shì)，它可以使激光束的瑕疵變得平滑，而且x光在向內(nèi)爆破過(guò)程中比紫外線更具優(yōu)勢(shì)，但是它卻使目標(biāo)變得復(fù)雜與昂貴，這不是科學(xué)家想要的產(chǎn)生能量的方式。NIF研究人員也曾努力讓這一方式發(fā)揮作用，但能量在轉(zhuǎn)化成x光的過(guò)程中丟失了，而且向內(nèi)爆破進(jìn)展得也不順利。
LMJ武器實(shí)驗(yàn)室外的研究人員想通過(guò)不同的方式解決問(wèn)題。通過(guò)清除掉金屬殼，并把激光束直接對(duì)準(zhǔn)膠囊，可以避免復(fù)雜性以及把紫外線轉(zhuǎn)化成x光時(shí)的能量丟失。為了得到平滑、對(duì)稱的向內(nèi)爆破，很多科學(xué)家建議以較慢的速度推動(dòng)這一過(guò)程。但這樣一來(lái)壓縮燃料又不能加熱到足夠高的溫度讓核燃料自行運(yùn)轉(zhuǎn)；仍需要另外的點(diǎn)火裝置啟動(dòng)聚變堆。
一種可能解決的辦法是快速點(diǎn)火，日本大阪大學(xué)是該領(lǐng)域的先驅(qū)，該方法是利用快速、高能量激光脈沖來(lái)點(diǎn)火——petal可以制造這種脈沖。過(guò)去十年，IFE研究人員提出了建設(shè)一個(gè)以快速點(diǎn)火為基礎(chǔ)的示范性IFE反應(yīng)堆“hiper”。然而，由于NIF遠(yuǎn)未達(dá)到點(diǎn)火的能力，該計(jì)劃就沒(méi)有了動(dòng)力，但其支持者希望通過(guò)LMJ—petal組合給予其新動(dòng)力。
近日在功率相對(duì)較低的裝置上的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)表明，petal或許不能發(fā)出猛烈一擊來(lái)觸發(fā)快速點(diǎn)火。但紐約羅切斯特大學(xué)引導(dǎo)的另一項(xiàng)選擇或許可以挽救困局。這種名為“沖擊點(diǎn)火”的技術(shù)像其他技術(shù)一樣，也是用來(lái)自主激光器的激光脈沖擠壓燃料膠囊。但是在擠壓最后，激光會(huì)突然增加能量，產(chǎn)生一種沖擊波，并傳遞至燃料中心。當(dāng)沖擊波抵達(dá)反應(yīng)堆中央時(shí)，突然增加的壓力可以激活反應(yīng)堆。“通過(guò)omega裝置（羅切斯特大學(xué)的激光器）所做的實(shí)驗(yàn)和其他地方的一些實(shí)驗(yàn)都很鼓舞人心，在這個(gè)階段（沖擊點(diǎn)火）所需要的激光條件看起來(lái)比快速點(diǎn)火更有前景。”英國(guó)中央激光研究所核聚變研究人員chrisedwards說(shuō)。
在通過(guò)LMJ-petal裝置實(shí)現(xiàn)核聚變能的過(guò)程中，研究人員還面臨來(lái)自社會(huì)與政界的挑戰(zhàn)。歐洲的IFE科學(xué)圈相對(duì)較小，此前并未經(jīng)歷過(guò)規(guī)模如此大的裝置或武器安全實(shí)驗(yàn)室類的項(xiàng)目。“單是LMJ看起來(lái)似乎就像一座沙漠中的教堂。”batani說(shuō)，“研究人員對(duì)它很感興趣，但是同時(shí)持懷疑態(tài)度。很多人不相信它是有助于科研的工具。”而且cea還需要克服其不情愿與學(xué)術(shù)界研究人員分享模擬代碼的問(wèn)題，他們害怕這樣做可能會(huì)幫助“流氓國(guó)家”研究熱核武器。batani說(shuō)，“我們需要可靠的模擬實(shí)驗(yàn)，但卻沒(méi)有開(kāi)放的代碼。”而且歐洲傳統(tǒng)上聚焦于另一種不同的研究方法——磁約束核聚變，這種方法也有其代表性裝置：即在法國(guó)卡達(dá)拉奇正在建設(shè)的花費(fèi)數(shù)十億歐元的國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（iter）。
“如果LMJ的沖擊點(diǎn)火方法可行，政治家的態(tài)度就會(huì)變得更加積極。”batani說(shuō)。而在核聚變領(lǐng)域一直處于下風(fēng)的歐洲可能也會(huì)因此變得揚(yáng)眉吐氣。
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