發(fā)表在High Power Laser Science and Engineering2019年第3期上的綜述文章“Petawatt and exawatt class lasers worldwide”對當今世界范圍內(nèi)的拍瓦激光裝置進行了概述，生動地展現(xiàn)了隨著時間的推移，超強激光裝置的重心逐漸從其發(fā)源地美國轉(zhuǎn)移到了歐洲，再到現(xiàn)在牢固地確立在亞洲。

01美國篇

    直到新千年以前，美國的國家實驗室和大學系統(tǒng)一直引領著世界范圍內(nèi)的超高功率激光裝置的發(fā)展。這些裝置包括：世界上首臺輸出拍瓦激光的Nova拍瓦裝置；唯一可以滿能量運行的兆焦激光NIF裝置；羅切斯特大學主導的OMEGA裝置及其升級系統(tǒng)OMEGA-EP；勞倫斯伯克利國家實驗室的BELLA裝置等。

Nova裝置

    利弗莫爾國家實驗室（LLNL）在高能量超高功率激光裝置的發(fā)展歷史中扮演了關鍵的主導地位。LLNL于1970年末建造完成Shiva裝置，隨后，其繼任者Nova裝置的一路束線站于1990年末建造完成，實現(xiàn)了世界上第一個拍瓦激光輸出。利用一套專門的前端和真空壓縮室，該裝置獲得了680 J，440 fs的激光脈沖，峰值功率達到了1.5 PW。Nova拍瓦裝置的一個重要進展是實現(xiàn)了制造口徑達到1 m的大尺寸衍射光柵，并將其用于真空壓縮室當中。

圖1 Nova Petawatt壓縮機內(nèi)景圖（圖片由LLNL提供）。

NIF裝置

    LLNL中的NIF（國家點火裝置）是第一個、也是目前唯一可以滿能量運行的兆焦耳激光裝置。它由192路40 cm x 40 cm的光束組成，能夠發(fā)射共1.8 MJ能量，3 ns脈寬，峰值功率達到0.6 PW的三倍頻激光，可以用于間接驅(qū)動。NIF于2009年3月正式投入使用，至今已經(jīng)運行了9年，持續(xù)為國家點火計劃和核武器儲備管理計劃提供數(shù)據(jù)。2018年，NIF實現(xiàn)了創(chuàng)紀錄的2.15 MJ靶上能量輸出，盡管脈沖峰值功率并未提升。

圖2 ARC裝置壓縮室（圖片由LLNL提供）

OMEGA裝置

    羅切斯特大學的激光動力能實驗室（LLE），雖然是依托大學建造的，但它更像是一個國家實驗室。從CPA技術的首次提出，到首臺千焦級拍瓦激光器OMEGA-EP的順利運行，LLE在超高功率激光的發(fā)展過程中扮演了重要的角色。OMEGA-EP的結(jié)構(gòu)和NIF類似，共有四路激光，與已經(jīng)發(fā)展完成的可以輸出60路脈寬較長、總能量為30 kJ、波長為351 nm的OMEGA激光系統(tǒng)一起結(jié)合使用。

    OMEGA-EP可以為慣性約束聚變實驗提供X射線背光照相和質(zhì)子射線照相等功能。該激光器可以工作在0.6~100 ps范圍，在最佳壓縮條件下可以獲得接近1 PW的性能表現(xiàn)，當脈寬大于10 ps時，脈沖能量能夠達到1.25~2.3 kJ。該激光器的研制促進了高損傷閾值介質(zhì)膜光柵的發(fā)展，研究人員采用了拼接光柵的結(jié)構(gòu)。

Z-Beamlet裝置

    在桑地亞國家實驗室中，一臺大規(guī)模的千焦拍瓦激光裝置被用來為Z-pinch裝置提供X射線照相功能。該裝置使用了Beamlet激光，它起初是作為LLNL的NIF裝置的原型裝置，在1998年退役后轉(zhuǎn)運到了桑地亞并被重命名為Z-Beamlet。該裝置后來升級了Z-Petawatt來實現(xiàn)增強的射線照相功能。2016年文獻報道Z-Backlighter裝置升級了其兩種運行模式的性能。根據(jù)不同的真空光柵壓縮室，裝置可以運行在兩種CPA模式下。由主放大器可以直接輸出100 J/500 fs（200 TW）的光到一個獨立的靶室。另外一個壓縮室可以輸出500 J/500 fs, 1 PW的光束到一個新的真空腔Chama中。

高能激光網(wǎng)絡

    考慮到美國有許多較小規(guī)模的激光裝置，美國能源部科學局建立了一個高能激光網(wǎng)絡LaserNet來協(xié)調(diào)超高功率激光器的運行。其最初的成員包括：科羅拉多州立大學；俄亥俄州立大學；密歇根大學；內(nèi)布拉斯加大學林肯分校；德克薩斯大學；斯坦福直線加速器中心和勞倫斯·伯克利國家實驗室。該網(wǎng)絡在2019年進一步擴充，包含了前述的利弗莫爾國家實驗室的木星裝置和羅切斯特大學激光動力能實驗室的OMEGA-EP裝置，這兩個裝置目前都作為用戶裝置來運行。

02歐洲篇

英國

    英國科學與技術設施委員會盧瑟福阿普爾頓實驗室的Vulcan拍瓦激光器是首個用于國際等離子體物理學界的用戶裝置。它有兩個靶室區(qū)域：一個具有6束300 J (1053 nm, 1 ns)長脈沖光束結(jié)合兩束同步的短脈沖激光，另外一個具備高能拍瓦輸出性能（500 J, 500 fs）并和一束長脈沖激光同步。Vulcan 2020升級項目計劃將Vulcan裝置的峰值功率提升到20 PW (400 J, 20 fs)，并引入新的靶室區(qū)域用于極端光強的相互作用。

Gemini是一臺在中央激光研究所運行的鈦寶石激光器。它作為一臺科學用戶裝置來運行，滿足了近年來日益增長的工業(yè)方面的實驗需求。它具備兩路超高功率激光束線束，每一路都可以輸出15 J, 30 fs，中心波長為800 nm的脈沖，靶室中峰值功率達到500 TW，聚焦強度大于1021 W/cm2。通過在靶室中使用雙等離子體鏡可以獲得高對比度脈沖。

    英國原子武器研究機構(gòu)的Orion裝置在2013年4月開始運行。它是一套釹玻璃激光系統(tǒng)，具有十路長脈沖激光束線（500 J, 1ns@351 nm）和兩路同步的紅外拍瓦激光（500 J, 500 fs）。其中一路拍瓦激光束線通過倍頻獲得超高對比度的綠光，可以輸出200 J, <500 fs, 400 TW的激光脈沖，納秒尺度的時間對比度>1018。

圖3. Orion激光裝置（圖片由AWE提供）

    斯特拉斯克萊德大學和貝爾法斯特女王大學等高校也有拍瓦級激光裝置。例如，貝爾法斯特女王大學等離子體物理中心的TARANIS釹玻璃激光系統(tǒng)，以及位于格拉斯哥的斯特拉斯克萊德大學的SCAPA裝置，是歐洲最高平均功率的商品化拍瓦級激光裝置。

圖4. SCAPA裝置（圖片由斯特拉斯克萊德大學提供）

法國

    法國的科學和國防相關國家實驗室以及大學機構(gòu)，在超高功率激光裝置的發(fā)展建造和運營中扮演了重要角色。

    LMJ（兆焦耳激光）裝置位于法國波爾多，是一臺兆焦耳級的激光裝置，目前正在服役。裝置設計有176路的長脈沖激光，口徑達到40 cm x 40 cm，可以輸出1.4 MJ的總能量，波長為351 nm，最高功率為400 TW。5簇（40路激光）已經(jīng)在2018年開始運行，其余會在未來幾年服役。

    LASERIX裝置位于奧賽大學直線加速器實驗室（LAL）。這是一套鈦寶石激光系統(tǒng)，最早屬于巴黎第十一大學，后來轉(zhuǎn)運至LAL。它是一個用于泵浦XUV激光的高重頻多光束激光器。2006年，該激光器首次演示了沒有完全壓縮的36 J能量輸出。裝置目前運行在低功率模式（最高30 TW）以開展同步相干X射線和極紫外及紅外激光的實驗。LASERIX作為一臺高強度激光目前被用來和電子槍相結(jié)合，用于產(chǎn)生5~10 Mev的同步光電子簇。

    位于法國巴黎南郊薩克雷地區(qū)的Apollon是新一代的鈦寶石10 PW激光裝置。該裝置采用了OPCPA和鈦寶石放大的混合式結(jié)構(gòu)，具有高對比度的前端，采用釹玻璃激光器進行泵浦來獲得高能量短脈沖輸出。裝置設計輸出150 J，15 fs的脈沖，峰值功率達到10 PW，重頻為1分鐘一發(fā)。

圖5. 阿波羅激光裝置（圖片由阿波羅提供）。

德國

    德國的許多激光裝置都隸屬于亥姆霍茲聯(lián)合會，共有18個亥姆霍茲中心，涉及多范圍學科領域。

    位于加爾興的GALA（先進激光運用中心）是一個由慕尼黑技術大學和慕尼黑大學聯(lián)合運營的機構(gòu)，具有如下兩套激光裝置：ATLAS 3000 包含一套自制的300 TW峰值功率鈦寶石激光器和一個90 J，1 Hz的功率放大器，脈沖壓縮后可以輸出60 J，25 fs，2.4 PW的1 Hz激光脈沖；拍瓦綜合研究平臺（PFS）采用二極管泵浦的1 ps，1 J，10 Hz 厚片Yb:YAG激光對OPA鏈路進行泵浦，泵浦能量正在升級為10 J，10 Hz。

    位于德國杜塞爾多夫海因里希·海涅大學激光等離子體物理研究所的Arcturus系統(tǒng)，是一個雙光束的鈦寶石激光系統(tǒng)，每路激光脈沖可以壓縮得到~30 fs脈寬，傳輸?shù)较嗷プ饔们皇业男蕿閪50%。兩路脈沖可以在靶室中實現(xiàn)空間重合、時間同步。因此該系統(tǒng)可以輸出2 x 3.5 J = 7 J的能量到靶室中，脈寬小于30 fs，系統(tǒng)總峰值功率超過200 TW。

    PHELIX（用于重離子實驗的拍瓦高能激光）是一臺千焦耳釹玻璃激光器系統(tǒng)，位于亥姆霍茲重離子研究中心。它可以單獨運行，也可以與重離子加速器相結(jié)合。激光可以在長脈沖和短脈沖模式間切換，短脈沖模式下可以輸出400 J，400 fs脈沖。GSI計劃的另外一個千焦耳釹玻璃激光器將用于反質(zhì)子和離子研究，重復頻率預計為1分鐘一發(fā)。

    亥姆霍茲中心有兩套二極管泵浦的系統(tǒng)：POLARIS拍瓦激光放大器用于密集輻射實驗，位于亥姆霍茲耶拿研究所，它是一個全二極管泵浦的Yb:glass/Yb:CaF2拍瓦激光器，拼接光柵壓縮器將靶室中的峰值功率限制為200 TW，該裝置目前已經(jīng)具有54 J的放大輸出能力；PEnELOPE拍瓦節(jié)能激光器用于光學等離子體實驗，是一個重復頻率的二極管泵浦的寬帶Yb:glass/Yb:CaF2激光器。

俄羅斯

    俄羅斯科學院應用物理研究所拍瓦級OPCPA激光系統(tǒng)2006年實現(xiàn)了0.2 PW的輸出，2007年升級為0.56 PW。該裝置命名為PEARL（拍瓦參數(shù)激光），采用DKDP作為增益介質(zhì)，中心波長為910 nm，脈寬為43~45 fs。PEARL-X是新一代的OPCPA裝置，理論上具備10 PW性能，實際運行中將控制在4~5 PW。該項技術后來轉(zhuǎn)移到了俄羅斯聯(lián)邦原子能中心的FEMTA裝置，將采用2 kJ的激光作為泵浦，具備成為一套數(shù)拍瓦裝置的能力，但受制于目前的泵浦，輸出指標為1 PW，100 J，100 fs。

    俄羅斯聯(lián)邦原子能中心于2012年開始建造高功率兆焦耳激光裝置VNIIEF，預計將在未來幾年內(nèi)服役。這個多光束釹玻璃激光器可以輸出能量為2.8 MJ的527 nm綠光，用于慣性約束聚變直接驅(qū)動束靶輻照。與NIF和LMJ中采用了圓柱間接驅(qū)動的構(gòu)型不同，VNIIEF裝置采用球形間接驅(qū)動的構(gòu)型。共有6個激光輸入孔，將在氘氚冰層冷凍靶的表面形成非常均勻的X射線場分布。

其它國家

    在西班牙薩拉曼卡大學的脈沖激光中心（CLPU），VEGA裝置基于一個相同的前端（交叉偏振波產(chǎn)生和雙CPA）共有三條放大鏈路。該裝置由西班牙國王于2018年9月正式揭牌。

圖7 在被轉(zhuǎn)移到SULF大樓前，SULF原型激光器在進行最終調(diào)試（圖片由SIOM提供）。

日本

原文鏈接：《亞洲成為世界拍瓦激光裝置建設的熱點區(qū)域》

免責聲明：

    網(wǎng)站內(nèi)容來源于互聯(lián)網(wǎng)，由網(wǎng)絡編輯負責審查，目的在于傳遞信息，提供專業(yè)服務，不代表本網(wǎng)站平臺贊同其觀點和對其真實性負責。如因內(nèi)容、版權(quán)問題存在異議的，請與我們?nèi)〉寐?lián)系，我們將協(xié)調(diào)給予處理（按照法規(guī)支付稿費或刪除），聯(lián)系方式：ahos@aiofm.ac.cn 。網(wǎng)站平臺將加強監(jiān)控與審核，一旦發(fā)現(xiàn)違反規(guī)定的內(nèi)容，按國家法規(guī)處理，處理時間不超過24小時。