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要成为光学强国,中国离不开这五大激光装置

实验室资讯网时间:2019-03-01 点击: 百度搜索

【导读】大科学装置是建立具备强大国际竞争力的大型科研基地的重要条件,也是现代科学技术诸多领域取得突破的必要条件,对科技发展具有重要的里程碑式意义。例如,2017年激光干涉引力波天文台(LIGO)项目获得诺贝尔物理学奖,引力波的发现开启了人类探索宇宙的一种全新方式。 要想实现技术领先,成为......
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编者按:

大科学装置是建立具备强大国际竞争力的大型科研基地的重要条件,也是现代科学技术诸多领域取得突破的必要条件,对科技发展具有重要的里程碑式意义。例如,2017年激光干涉引力波天文台(LIGO)项目获得诺贝尔物理学奖,引力波的发现开启了人类探索宇宙的一种全新方式。

要想实现技术领先,成为一流的光学强国,需要有强大的科研基础设施为开展世界级科学研究奠定重要的物质技术基础。随着科研经费投入的持续增加,中国已经建成并正在建设一批大科学装置。

在上海光机所范滇元院士的帮助下,《中国激光》近期出版“中国激光大科学装置”专题,详细介绍了中国激光领域最有代表性的五个大科学装置,包括上海超强超短激光实验装置(SULF)、神光Ⅱ和神光III高功率激光装置、上海软X射线自由电子激光装置(SXFEL)及大连极紫外相干光源。

这些装置可以提供前所未有的“三超”极端物理条件(超短脉冲、超高功率和超短波长等)以及全新的实验手段,将对开拓知识前沿、探索未知世界、解决重大战略需求发挥重要作用。
 

要成为光学强国,中国离不开这五大激光装置
上海超强超短激光实验装置

 

2016年中科院上海光机所承担了国家重大科技基础设施项目“上海超强超短激光实验装置”(Shanghai Superintense Ultrafast Laser Facility,SULF)的建设。该项目的目标是建成世界首套10 PW级超强超短激光装置。

要成为光学强国,中国离不开这五大激光装置

SULF装置主要包括一台重复频率的10 PW 超强超短激光系统,同时具备高重复频率的1 PW级激光输出束线。

SULF激光系统选择高对比度多级啁啾脉冲放大器链和终端大口径啁啾脉冲放大器的技术方案,实现峰值功率为10 PW、脉宽为30 fs级的激光脉冲输出能力,最高激光聚焦强度超过1022W/cm2,同时具备高重复频率(0.1 Hz)的1 PW激光脉冲输出。

利用该激光系统驱动产生的高亮度超短脉冲高能光子与粒子束,将建立极端条件材料科学研究平台、超快亚原子物理研究平台、超快化学与大分子动力学研究平台3个用户实验终端,提供先进的物质科学与生命科学研究手段:

1)极端条件材料科学研究平台,可开展极端物理条件下材料的超高时间分辨动力学研究。

2)超快亚原子物理研究平台,可开展等离子体状态反应截面、低宇宙环境噪声下小截面反应、高能光子巨共振、点质子源探测介观物理和正电子无损探测等方面的创新研究。

3)超快化学与大分子动力学研究平台,可开展有机大分子的结构测定、化学键瞬时诞生与化学反应机理和人工光合反应等基础研究。

神光Ⅱ高功率激光装置

 

我国的激光聚变研究,始于20世纪70年代初,1981~1986年建造的1012瓦两路“神光I”装置是我国第一台高功率激光驱动器装置,使我国成为继美国之后第二个具备独立研制、建设新一代高功率激光驱动器能力的国家。

在神光I基础上建设的神光Ⅱ装置是国内首个集物理理论、诊断、制靶、物理实验和驱动器五位一体的综合性ICF研究平台。

2004年,神光Ⅱ装置精密化工程完成,在此之前国际上只有NOVA装置和OMEGA装置具备精密化的三倍频运行能力。

要成为光学强国,中国离不开这五大激光装置

在光束质量方面,实现基频光聚焦70%能量(3.5DL,DL代表衍射极限),三倍频聚焦95%能量(8DL),优于OMEGA 装置三倍频聚焦95%能量(9DL)指标。

在单路最高基频输出能力方面,神光Ⅱ装置单路输出能量为882 J,在相同通光面积条件下,与OMEGA装置的1000 J单路输出能量处于同一水平。

在近场填充因子(FF)方面,神光Ⅱ装置的FF达到50%~60%,与当时日本Gekko GX-Ⅱ装置相当。

在三倍频运行方面,神光Ⅱ装置的转换效率为60%(最高为67%),超过当时Gekko GX-Ⅱ装置的30%~50%,与OMEGA装置水平相当。神光Ⅱ三倍频平均功率密度为0.66 GW/cm2,最大为1 GW/cm2,均为当时OMEGA装置的1.28倍。

神光Ⅱ装置建成以后,每年运行发射1000次以上,主要分配在聚变物理研究、高功率激光技术与器件验证、国际合作开放实验研究三个方面。

神光Ⅱ装置在2004年之前已提供正式物理实验打靶2025发次,2004~2017年累计提供物理实验打靶8390发次,平均成功率为91.7%。

神光III高功率激光装置

 

神光III原型装置是亚洲第一台采用二代高峰值功率激光技术研制成功的激光装置,其任务定位首先是全面演示、综合考核二代高功率激光装置总体技术路线,包括总体技术方案、关键技术与光学元器件;其次,建成万焦耳级物理实验装置,服务于ICF/HEDP基础物理实验。

该装置是国内首台可输出8束口径为300 mm×300 mm的激光、三倍频(351 nm)脉冲能量高达万焦耳、可“8束对打”与“8束并打”的激光装置。原型装置于1995年底启动概念研究,历经概念设计、可行性设计、工程设计、工程研制、外协研制、安装集成、集成实验与试运行打靶等阶段,于2007年11月全面实现设计功能、性能达标,并正式投入运行。

神光-III主机装置于2007年开始设计并于2015年建设完成,是中国巨型光学工程的典型装置之一。这标志着我国已全面掌握二代巨型激光装置总设、总成、总控等核心技术。整个装置的总体规模与主要性能仅次于美国LLNL的NIF装置,其任务定位包括:

1)建立二十万焦耳级ICF/HEDP物理实验能力,支撑ICF/HEDP物理实验综合能力升级换代,以及国防基础科研与聚变科学前期物理实验研究;

2)重点解决二代巨型激光装置的工程问题,全面演示、综合考核装置总设、总成、总控工程方案与体系能力。

主机装置脉冲宽度优化设计运行点为3 ns,属于功率/能量兼容性高功率激光系统。装置仍采用4×2组束模式,可输出48 束口径为400 mm×400 mm的高能激光束,三倍频激光输出能力达到200 kJ/3 ns。

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上海软X射线自由电子激光装置

 

上海软X射线自由电子激光装置(SXFEL)是基于自放大自发辐射(简称SASE)及外种子模式的自由电子激光装置,其光谱范围可覆盖2~10 nm。建筑总长532 m,包括了约250 m长的直线加速器隧道、40 m长的束流分配厅、160 m长的波荡器大厅以及80 m长的光束线和实验大厅。SXFEL采用常温直线加速器产生高能量的电子束团,再将此电子束送入波荡器系统中产生高功率的相干辐射。

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SSRF和SXFEL的鸟瞰图

SXFEL分成两期建设,包括试验装置(SXFEL-TF)和用户装置(SXFEL-UF),基于0.84 GeV直线加速器的SXFEL-TF以掌握种子型FEL级联技术和短波长回声型FEL为主要目标,而SXFEL-UF的目标则是建成可提供5个实验站的用户装置并于2019年底开始首批实验。

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SXFEL布局示意图

生物成像实验站为细胞、病毒等微纳米生物材料的活体无损成像提供先进的成像平台,同时兼顾新型材料结构分析、多物理场原位成像及X射线-物质相互作用等前沿性研究领域。活细胞荧光超分辨显微镜可实现全细胞三维超分辨成像。

超快物理实验站研究体系涵盖非常规超导机理问题、强关联体系中的电子有序态和非平衡态下复杂体系的电子结构。

近常压光电子能谱实验站主要开展以下研究:1)气-液-固三相界面研究;2)水溶液性质研究;3)电化学反应中电解液和电极界面原位研究;4)复杂生物体系(如蛋白质溶液)研究等。

表面化学实验站主要用于研究化学分子与催化剂表面的相互作用,特别是能源科学表面化学反应的催化过程。分子动态成像系统可对分子动态反应进行具有超高空间和动量分辨率的多体复合成像。

复合速度成像系统为国内外的原子分子和团簇物理研究提供新的实验平台。

大连极紫外相干光源

 

建成的大连极紫外(EUV)相干光源的运行波段为50~150 nm,单脉冲能量大于100 μJ,且可提供1012s和1013s量级的超快激光脉冲,是我国第一台自由电子激光用户装置,并且是国际上唯一运行在极紫外波段的自由电子激光用户装置。

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大连光源由高增益谐波产生型(High gain harmonic generation,HGHG) FEL、EUV 光束线和用户实验站组成。

HGHG-FEL由电子直线加速器和FEL谐波放大器组成。HGHG-FEL波长改变是通过调谐种子激光波长,同时改变波荡器间隙来实现的,配合HGHG过程中的不同谐波数,大连光源实现EUV波段波长连续可调。

EUV光束线具有光源性能诊断的能力,可对辐射激光的波长、能量、光斑位置和形状进行准确测量。激光采取了掠入射方式通过高反镜,在直通线中,EUV 激光的理论传输效率可达到80%。

表1 大连光源激光的主要性能参数

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其可应用于:

1)大气化学及气溶胶研究。大连光源提供极高的峰值功率和较高的平均功率,可探测真实大气环境中的团簇气溶胶分子的成核以及生长的速率。

2)燃烧科学。大连光源的峰值亮度比传统的同步辐射光源高8~10个数量级,可探测燃烧过程中浓度低的中间产物,对于理解整个燃烧过程并优化能量转换和减少有毒污染物排放有着重大的意义。

3)星际化学。高亮度的极紫外光源将对星际化学领域有巨大推动作用。

结语

习近平主席在中科院第十七次院士大会、中国工程院第十二次院士大会上的讲话中表示,科学发现与技术创新越来越离不开功能强大的科研仪器,特别是大科学装置,这已经成为科技界的共识。

如今,中国已然能够在世界光学前沿领域占有一席之地,这离不开大科学装置的有力支撑,相信这些“国之重器”会为我们发掘出科学研究的创新之泉!

(本文来源: 中国激光编辑部 中国激光 )

(责任编辑:大林)

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