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風淋室成功引用于中科院上海光機所
發布時間:2017-04-11   點擊次數:1435次
上海張江綜合性國家科學中心超強超短激光實驗裝置將與上海光源、軟X射線自由電子激光一起,組成張江“超級光源”,成為照亮科學前沿、探索技術高地的一大中流砥柱,也為上海建設具有全球影響力的科創中心提供有力支撐。圖為在實驗室內,由各種透鏡設備組成的光路。葉辰亮攝

  又一道耀眼的強光在浦東張江亮起———近日,上海張江綜合性國家科學中心超強超短激光實驗裝置(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! 它標志我國在該領域達到了國際領先水平。SULF的下一個目標將是在國際上率先實現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,其光強就相當于將照到地球上的所有太陽能量聚焦到一根頭發絲上,這是人類已知的最高光強光源。未來數年,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”,成為照亮科學前沿、探索技術高地的一大中流砥柱,也為上海建設具有全球影響力的科創中心提供有力支撐。

  用微波爐0.1秒能量產生反物質

  換上白大褂,套上鞋套和頭套,經過風淋房,記者走進位于上海科技大學教學樓的中科院上海光機所-上科大超強激光光源聯合實驗室。

  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過十分精確的調試。

  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,它將被增強為在飛秒級時間內爆發出拍瓦級強大功率的超級激光。

  1拍瓦相當于1秒鐘內釋放出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。”中科院上海光機所所長李儒新說,“這只相當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,科學家可以利用這特殊的激光,模擬出極端物理環境,比如恒星內部、黑洞邊緣,在實驗室中產生反物質、探測暗物質,進而研究真空———因為我們所認為的真空,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》雜志曾經在2010年預測未來十年重要科學領域的發展方向。

  激光領域的五大突破中,有4項與超強超短激光直接相關。

  世界各國都在大力發展超強超短激光光源,以及依托其的前沿科技創新平臺,這一領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,開創激光與物質相互作用研究與應用的新時代。美、俄、日等國也紛紛提出各自的百拍瓦級超強超短激光裝置研究設想。

  然而,5拍瓦的首次激光輸出,卻被中科院上海光機所—上科大聯合實驗室拔得頭籌。2013年,上海光機所團隊在世界上率先研制成功2拍瓦的激光放大系統,為當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,該團隊研制成功5拍瓦激光放大技術驗證系統。“當功率高到一定程度,再提高哪怕一點點,都相當困難。”裝置主要研發人員、上海光機所梁曉燕研究員說,突破的關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定路線奔跑,并不斷放大,消耗掉越來越多的能量。科研人員想出辦法,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,達到5拍瓦的超高功率。

  還有一個技術瓶頸是用于激光放大的晶體材料。要達到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。上海光機所2014年研發成功這種口徑的鈦寶石晶體,目前正在研發200毫米口徑的鈦寶石晶體。

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