據(jù)悉，與會專家包括徐至展、王乃彥、甘子釗、范滇元、沈文慶、孫承緯、趙政國等兩院院士，以及十多位國家杰出青年基金獲得者和多位國際著名學(xué)者。與會專家建議，應(yīng)抓住發(fā)展機遇，基于我國現(xiàn)有超強激光技術(shù)及相關(guān)光學(xué)材料與元器件的基礎(chǔ)，早日建立10拍瓦乃至更高量級的超強激光光源，開展高水平的國內(nèi)外合作，加強學(xué)科交叉，進一步開展前沿物理和高技術(shù)應(yīng)用研究，盡早建成開展高水平基礎(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到10拍瓦級（1拍瓦為1000萬億瓦）乃至更高量級、脈沖寬度達到飛秒級（1飛秒為千萬億分之一秒）的超強激光光源，被認為是人類已知的最亮光源，能在實驗室內(nèi)創(chuàng)造出前所未有的超高能量密度、超強電磁場和超快時間尺度綜合性極端物理條件，能為人類提供前所未有的實驗手段。
中科院上海光機所研究員冷雨欣告訴記者，超強超短激光為人類提供的全新極端物理條件，自然界中只有在恒星內(nèi)部或是黑洞邊緣才能找到。與會專家認為，發(fā)展超強激光光源并開拓其前沿應(yīng)用十分重要。通過在極端物理條件下物質(zhì)結(jié)構(gòu)、運動和相互作用的研究，人類對客觀世界規(guī)律的認識將更加深入和系統(tǒng)化。
專家建議，為保持我國在超強激光光源領(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)問題，并且需要巨大的人員和經(jīng)費投入；同時亟須結(jié)合國家需求，尋找一個或數(shù)個最關(guān)鍵的基礎(chǔ)研究和高技術(shù)應(yīng)用作為切入點。
10PW級超強超短激光研制中
中科院上海光機所強場激光物理國家重點實驗室最近在拍瓦（千萬億瓦，PW）超強超短激光研究方面取得重要進展。拍瓦超強超短激光能在實驗室內(nèi)創(chuàng)造出前所未有的超強電磁場、超高能量密度和超快時間尺度綜合性極端物理條件，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)用價值，是國際激光科技競爭前沿之一。國際上多個國家提出了大型超強超短激光裝置研究計劃，其中，Extreme Light Infrastructure （ELI）計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級超強超短激光裝置，并計劃于2017年建成10PW超強超短激光用戶裝置，開創(chuàng)激光與物質(zhì)相互作用研究與應(yīng)用的新時代。英國和法國也正在開展10PW超強超短激光裝置的研制工作。美、俄、日本等國也紛紛提出了各自的200PW級超強超短激光裝置研究計劃。
上海光機所強場激光物理國家重點實驗室基于在超強超短激光領(lǐng)域二十余年的研究積累與技術(shù)基礎(chǔ)，正在研制10PW級超強超短激光裝置。該裝置以高對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）的無橫向寄生振蕩、無熱效應(yīng)、B積分小等優(yōu)點，充分發(fā)揮CPA和OPCPA兩種激光放大技術(shù)的優(yōu)勢，2013年首次在實驗上驗證了CPA/OPCPA混合放大器方案[Optics Letters 38，4837，(2013)]，實現(xiàn)0.61PW激光脈沖輸出，2014年10月又進一步將輸出能力升級到1PW。這是目前國際上基于OPCPA放大器獲得的最高激光脈沖能量和最高峰值功率，驗證了CPA/OPCPA混合放大器作為10PW級超強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，經(jīng)CPA多通放大到數(shù)焦耳量級后，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的時空近平頂分布的釹玻璃倍頻激光泵浦下，通過優(yōu)化泵浦光和信號光的注入條件，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超強超短激光裝置的研制奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。
該項研究采用的大口徑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所高功率激光物理聯(lián)合實驗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)膜由上海光機所中科院強激光材料重點實驗室提供。該項研究得到了國家863計劃、國家973計劃、國家自然科學(xué)基金會和國家科技部國家重點實驗室專項等的支持。
美“人造太陽”核聚變裝置輸出創(chuàng)紀錄能量
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，試圖將其作為未來的新型能源，研究人員估計一公斤的核聚變?nèi)剂厢尫懦龅哪芰肯喈?dāng)于1000萬公斤化石燃料，美國家點火裝置（NIF）的科學(xué)家就已經(jīng)對核聚變自持反應(yīng)所需的聚變點火條件的研究，對自持反應(yīng)的深入調(diào)查是打開可控核聚變大門的第一步，科學(xué)家們第一次通過這樣的過程產(chǎn)生了比以前更多的能量，建造可控核聚變反應(yīng)堆又進了一步。
核聚變被認為是未來人類使用的先進能源之一，在許多科幻小說中提到了通過便攜式核聚變堆獲得能量的一幕，核聚變也是 宇宙 中非常常見的能量釋放形式，我們的太陽就是通過核聚變產(chǎn)生源源不斷的能量，如果我們能實現(xiàn)對核聚變過程的精密控制，就可能為全世界提供廉價的能源，但是有研究人員本世紀內(nèi)可能還無法實現(xiàn)使用上廉價核聚變能量的想法。到目前為止，數(shù)個世界級的實驗室正在研制可控核聚變技術(shù)，實驗堆產(chǎn)生的能量比我們投入的能量少得多，用其進行發(fā)電顯然不行。根據(jù)英國廣播公司報道，位于加利福尼亞州利弗莫爾國家點火裝置（NIF）的科學(xué)家目前已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)能量的“收支平衡”。
國家點火裝置擁有192具世界上最強大的激光器，形成相等數(shù)量的激光，并在極短的時間內(nèi)同時激發(fā)并命中中央的“燃料球”，后者被瞬間加熱到數(shù)百萬度，這一過程就是“點火”，形成核聚變反應(yīng)后就可以產(chǎn)生能量，以往的實驗中“點火”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。
利弗莫爾國家點火裝置是美國能源部下屬的國家核安全管理局的核心項目，靶室重達130噸，通過192束激光“轟擊”球形聚變?nèi)剂习屑籽b置極為復(fù)雜，是一座超級激光核聚變點火裝置，轟擊開始后的核心溫度達到數(shù)億度數(shù)量級，壓力超過1000億倍的地球大氣壓，核聚變被認為是宇宙中先進文明必須掌握的能源形式，太陽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。
法國激光核聚變“升級”中
在核聚變領(lǐng)域一直處于下風(fēng)的歐洲可能也會因此變得揚眉吐氣。
法國價值30億歐元的激光核聚變反應(yīng)實驗室將在反應(yīng)室中置入兆焦級激光。
對于任何一個熟悉激光核聚變的研究人員來說，參觀兆焦耳激光器（lasermégajoule，以下簡稱LMJ）——去年剛在法國大西洋沿岸建成的一項耗資30億歐元的研究裝置，都會產(chǎn)生一種似曾相識的錯覺?，F(xiàn)場所見和美國加利福尼亞州國家點火裝置（NIF）可謂“一模一樣”。
LMJ的占地面積和NIF一樣，都約為一個體育場大小，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，安全管制沒有那么苛刻，參觀者可訪問的地方更大、可獲得的信息量更多。然而，整體來看走進lmj的大門就像踏入了美國勞倫斯利物莫國家實驗室——這是另一個運行NIF的核武器實驗室，只不過這個世界由法國控制。
在NIF與LMJ的武器研究實驗中，研究人員通過把燃料膠囊包裹在一個金屬殼中間接向內(nèi)引爆膠囊，這種金屬殼可以通過激光加熱，反過來再用x光炸裂膠囊。這種方法具有一些優(yōu)勢，它可以使激光束的瑕疵變得平滑，而且x光在向內(nèi)爆破過程中比紫外線更具優(yōu)勢，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光的過程中丟失了，而且向內(nèi)爆破進展得也不順利。
LMJ武器實驗室外的研究人員想通過不同的方式解決問題。通過清除掉金屬殼，并把激光束直接對準(zhǔn)膠囊，可以避免復(fù)雜性以及把紫外線轉(zhuǎn)化成x光時的能量丟失。為了得到平滑、對稱的向內(nèi)爆破，很多科學(xué)家建議以較慢的速度推動這一過程。但這樣一來壓縮燃料又不能加熱到足夠高的溫度讓核燃料自行運轉(zhuǎn)；仍需要另外的點火裝置啟動聚變堆。
一種可能解決的辦法是快速點火，日本大阪大學(xué)是該領(lǐng)域的先驅(qū)，該方法是利用快速、高能量激光脈沖來點火——petal可以制造這種脈沖。過去十年，IFE研究人員提出了建設(shè)一個以快速點火為基礎(chǔ)的示范性IFE反應(yīng)堆“hiper”。然而，由于NIF遠未達到點火的能力，該計劃就沒有了動力，但其支持者希望通過LMJ—petal組合給予其新動力。
近日在功率相對較低的裝置上的實驗已經(jīng)表明，petal或許不能發(fā)出猛烈一擊來觸發(fā)快速點火。但紐約羅切斯特大學(xué)引導(dǎo)的另一項選擇或許可以挽救困局。這種名為“沖擊點火”的技術(shù)像其他技術(shù)一樣，也是用來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)沖擊波抵達反應(yīng)堆中央時，突然增加的壓力可以激活反應(yīng)堆。“通過omega裝置（羅切斯特大學(xué)的激光器）所做的實驗和其他地方的一些實驗都很鼓舞人心，在這個階段（沖擊點火）所需要的激光條件看起來比快速點火更有前景。”英國中央激光研究所核聚變研究人員chrisedwards說。
在通過LMJ-petal裝置實現(xiàn)核聚變能的過程中，研究人員還面臨來自社會與政界的挑戰(zhàn)。歐洲的IFE科學(xué)圈相對較小，此前并未經(jīng)歷過規(guī)模如此大的裝置或武器安全實驗室類的項目。“單是LMJ看起來似乎就像一座沙漠中的教堂。”batani說，“研究人員對它很感興趣，但是同時持懷疑態(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題，他們害怕這樣做可能會幫助“流氓國家”研究熱核武器。batani說，“我們需要可靠的模擬實驗，但卻沒有開放的代碼。”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：即在法國卡達拉奇正在建設(shè)的花費數(shù)十億歐元的國際熱核實驗反應(yīng)堆（iter）。
“如果LMJ的沖擊點火方法可行，政治家的態(tài)度就會變得更加積極。”batani說。而在核聚變領(lǐng)域一直處于下風(fēng)的歐洲可能也會因此變得揚眉吐氣。
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