據(jù)悉，Lawrence Livermore國(guó)家實(shí)驗(yàn)室數(shù)十年來在高能激光器開發(fā)方面的領(lǐng)導(dǎo)地位，正被利用為SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室線性相干光源(LCLS)的重大升級(jí)提供關(guān)鍵組件。

研究人員在SLAC的LCLS遠(yuǎn)實(shí)驗(yàn)大廳的“MEC艙”工作。MEC光學(xué)激光系統(tǒng)在材料中創(chuàng)造極端的溫度和壓力，LCLS x射線激光束捕捉材料的響應(yīng)。來源：Matt Beardsley/SLAC.

在接下來的幾年里，LLNL的高級(jí)光子技術(shù)(APT)項(xiàng)目將設(shè)計(jì)和建造世界上最強(qiáng)大的千萬億瓦激光系統(tǒng)之一，安裝在LCLS升級(jí)的極端條件物質(zhì)(MEC)實(shí)驗(yàn)設(shè)施中。由能源部科學(xué)核聚變能源科學(xué)項(xiàng)目辦公室資助。

這種新型激光器將與LCLS x射線自由電子激光器(XFEL)結(jié)合，以促進(jìn)對(duì)高能密度(HED)物理、等離子體物理、聚變能、激光-等離子體相互作用、天體物理學(xué)、行星科學(xué)和其他物理現(xiàn)象的理解。

現(xiàn)有的MEC設(shè)備使用光學(xué)激光與LCLS的x射線激光脈沖耦合，以探測(cè)極端溫度和壓力下物質(zhì)的特性。MEC實(shí)驗(yàn)已經(jīng)產(chǎn)生了突破性的科學(xué)成果，比如首次觀測(cè)到在天王星和海王星這樣巨大的冰凍行星深處存在的“鉆石雨”。

“Livermore和Rochester正在設(shè)計(jì)的新型高功率激光器在他們自己的領(lǐng)域是世界領(lǐng)先的?！眒ecu項(xiàng)目主管Alan Fry說，“將它們與LCLS結(jié)合將極大地提高它們的科學(xué)用途，這種結(jié)合將是一種前所未有的能力?！?/p>

LCLS XFEL末端的新mecu洞窟的概念設(shè)計(jì)。該設(shè)備將包括LLE的千焦耳(kJ)激光、LLNL的10赫茲額定petawatt/長(zhǎng)脈沖激光系統(tǒng)、一個(gè)主目標(biāo)室和一個(gè)主目標(biāo)室下游的多用途二次交互場(chǎng)所。來源：Gilliss Dyer/SLAC.

“有了我們正在建造的10赫茲petawatt激光器，以及LLE的長(zhǎng)脈沖壓縮激光器和升級(jí)的LCLS能力，LCLS和它的mecu設(shè)備將成為高重復(fù)率、激光驅(qū)動(dòng)的HED實(shí)驗(yàn)的美國(guó)旗艦。”負(fù)責(zé)高能密度光子系統(tǒng)的NIF &光子科學(xué)項(xiàng)目主任Vincent Tang說。

Tang補(bǔ)充說:“將最新和最好的超快激光技術(shù)與MEC-U設(shè)施的LCLS光束線相結(jié)合，將為美國(guó)發(fā)現(xiàn)科學(xué)和國(guó)家安全研究提供一種全新的高通量HED能力。我們將能夠在極端壓力和溫度下快速提高我們對(duì)等離子體和材料的理解，同時(shí)提高我們以重復(fù)頻率和規(guī)模操作HED技術(shù)和系統(tǒng)的能力，這與未來的重要應(yīng)用(如慣性聚變能)有關(guān)。”

美國(guó)國(guó)家核安全局(NNSA)表示有興趣與科學(xué)辦公室合作，以增加額外的高能長(zhǎng)脈沖激光能力，以進(jìn)一步支持NNSA基于科學(xué)的庫(kù)存管理計(jì)劃。目標(biāo)之一是提高科學(xué)家預(yù)測(cè)下一代材料在極端環(huán)境下的性能的能力;慣性約束聚變的微物理研究并使研究比以前更大體積的高原子數(shù)材料成為可能。

L3-HAPLS激光系統(tǒng)，安裝在位于捷克共和國(guó)Dolní B?e?any的ELI光束研究中心。來源：Lawrence Livermore National Laboratory

HAPLS增壓

LLNL研究實(shí)驗(yàn)室的項(xiàng)目經(jīng)理兼首席科學(xué)家TomSpinka表示，這將是一種簡(jiǎn)化版的高重復(fù)率先進(jìn)千兆瓦激光系統(tǒng)(HAPLS)，該系統(tǒng)由APT計(jì)劃在2014年至2018年期間設(shè)計(jì)和開發(fā)。HAPLS，世界上第一個(gè)全二極管泵浦的petaw激光器，現(xiàn)在是歐盟在捷克共和國(guó)的極端輕型基礎(chǔ)設(shè)施光束線設(shè)施的關(guān)鍵組成部分(見“先進(jìn)激光承諾令人興奮的應(yīng)用”)。

Spinka說:“RRL將在HAPLS開創(chuàng)性工作的基礎(chǔ)上建立。它將把NIF閃光燈泵浦摻釹玻璃Advanced Radiographic Capability中使用的直接啁啾脈沖放大技術(shù)與LLNL實(shí)驗(yàn)室直接研發(fā)項(xiàng)目開發(fā)的HAPLS二極管泵浦玻璃泵激光技術(shù)結(jié)合在一起。

“這種架構(gòu)最初被稱為可擴(kuò)展高功率高級(jí)射線成像能力(SHARC)，消除了HAPLS激光系統(tǒng)的損耗第二階段(摻鈦藍(lán)寶石)，在相同的峰值功率和重復(fù)頻率下，最終提供的能量大約是HAPLS的5倍?！?/p>

LLNL的MEC-U設(shè)備的RRL將與eli - beam的HAPLS(現(xiàn)在稱為L(zhǎng)3-HAPLS)激光器的性能提升到其完整的設(shè)計(jì)規(guī)格并行開發(fā)。它還將利用APT正在開發(fā)的其他先進(jìn)激光技術(shù)，包括一種新的高能法拉第旋轉(zhuǎn)器，該旋轉(zhuǎn)器是根據(jù)與Electro-Optics technologies Inc.的合作研發(fā)協(xié)議開發(fā)的。

將安裝在MEC-U工廠的LLNL拍瓦激光器的設(shè)計(jì)效圖。來源：Lawrence Livermore National Laboratory

啟用新物理學(xué)

“MEC-U是NIF&PS開發(fā)下一代高平均功率超快激光器和實(shí)現(xiàn)高重復(fù)率HED科學(xué)戰(zhàn)略的核心部分.”Tang說,“MEC-U能夠?qū)崿F(xiàn)的新物理范圍廣泛，高度適用于LLNL任務(wù)。對(duì)LLNL和社區(qū)來說，這是一個(gè)令人興奮的機(jī)會(huì)?！?/p>

“不僅是我們處理一些世界領(lǐng)先的激光實(shí)驗(yàn)室。” Fry說,“但我們也與世界實(shí)驗(yàn)科學(xué)的專家合作,高能量密度的科學(xué),和美國(guó)能源部科學(xué)辦公室用戶的操作設(shè)備,來自世界各地的科學(xué)家可以來做實(shí)驗(yàn)?！?/p>

LaserNetUS是一個(gè)研究網(wǎng)絡(luò)，它正在促進(jìn)全國(guó)各地的實(shí)驗(yàn)室和大學(xué)使用高強(qiáng)度激光設(shè)備。

MEC-U于去年秋天獲得美國(guó)能源部科學(xué)辦公室的批準(zhǔn)，從概念設(shè)計(jì)階段進(jìn)入初步設(shè)計(jì)，預(yù)計(jì)將在大約兩年內(nèi)開始施工。

APT RRL團(tuán)隊(duì)由Tang擔(dān)任高級(jí)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人;Spinka擔(dān)任項(xiàng)目經(jīng)理和首席科學(xué)家;RobertPlummer擔(dān)任項(xiàng)目工程師;Brendan Reagan為激光建筑師。

來源：LawrenceLivermore National Laboratory