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上海成功輸出世界最強(qiáng)5拍瓦激光脈沖

來源:上海政府網(wǎng)2016-09-12 我要評(píng)論(0 )   

 ??坡?00號(hào),兩間不到800平方米的實(shí)驗(yàn)室,擺放著五顏六色的晶體、長(zhǎng)長(zhǎng)的真空管等裝置,看上去沒有什么特別之處。就是在這里,

  
??坡?00號(hào),兩間不到800平方米的實(shí)驗(yàn)室,擺放著五顏六色的晶體、長(zhǎng)長(zhǎng)的真空管等裝置,看上去沒有什么特別之處。就是在這里,中科院上海光機(jī)所—上海科技大學(xué)超強(qiáng)激光光源聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,日前成功實(shí)現(xiàn)了5拍瓦激光脈沖輸出。這是目前已知的世界最高激光脈沖峰值功率,有望明年年底成為世界首個(gè)實(shí)現(xiàn)10拍瓦激光輸出的裝置。

  超強(qiáng)超短是什么概念?1拍瓦等于1千萬億瓦,相當(dāng)于全球電網(wǎng)平均功率的500倍,1飛秒等于1秒的1千萬億分之一。普通照相機(jī)最快可以達(dá)到毫秒級(jí),這相當(dāng)于飛秒級(jí)照相機(jī)的科學(xué)裝置,可為電子運(yùn)動(dòng)軌跡成像。

  超強(qiáng)超短激光有何應(yīng)用價(jià)值

  今年3月,我國(guó)科學(xué)家首次利用激光產(chǎn)生反物質(zhì)。這正是上海超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置的一個(gè)成果,它可以在材料內(nèi)部制造出反物質(zhì),也就是大量正電子,與材料內(nèi)部帶負(fù)荷的電子發(fā)生湮滅,當(dāng)電子的全部質(zhì)量轉(zhuǎn)變成電磁輻射,并以伽馬光子射出,再檢測(cè)這些光子,就能間接地探測(cè)到材料的內(nèi)部情況。未來,這一成果還可能用于真空結(jié)構(gòu)和暗物質(zhì)的探測(cè)。

  這還只是超強(qiáng)超短激光應(yīng)用的冰山一角。它為人類提供了前所未有的極端物理?xiàng)l件與全新實(shí)驗(yàn)手段,自然界中只有在恒星內(nèi)部或是黑洞邊緣才能找到的高能量密度(單位體積內(nèi)包含的能量)極端條件已有可能在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)創(chuàng)造。舉例來說,解析一個(gè)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu),對(duì)于揭示生命的奧秘意義重大,超強(qiáng)超短激光可用于研制臺(tái)式化電子加速器和超快X射線源,對(duì)蛋白質(zhì)中的原子運(yùn)動(dòng)進(jìn)行成像探測(cè);目前用于癌癥治療的傳統(tǒng)質(zhì)子加速器,體積龐大,超強(qiáng)超短激光可用于研制小型化激光質(zhì)子刀;材料的很多根本特性是由電子特性來決定的,電子運(yùn)動(dòng)的速度比原子還要快,超強(qiáng)超短激光正是“以快制快”,其阿秒(1阿秒=10-18秒)脈沖可以用于探測(cè)原子內(nèi)電子的運(yùn)動(dòng),推動(dòng)材料科學(xué)的進(jìn)步。一言以蔽之,它在臺(tái)式化加速器、超快化學(xué)、阿秒科學(xué)、材料科學(xué)、激光聚變、核物理與核醫(yī)學(xué)、高能物理等領(lǐng)域都具有重大應(yīng)用價(jià)值。

  早在2010年,《自然》就預(yù)測(cè)未來10年激光領(lǐng)域可能實(shí)現(xiàn)5項(xiàng)重大突破,其中4項(xiàng)與超強(qiáng)激光直接相關(guān)。《科學(xué)》也發(fā)專文指出,“這項(xiàng)工作將影響每一項(xiàng)研究,從聚變到天體物理。”正因?yàn)榇?,超?qiáng)超短激光成為了國(guó)際上激光科技的最新發(fā)展前沿與競(jìng)爭(zhēng)重點(diǎn)領(lǐng)域。多個(gè)國(guó)家投巨資開展10拍瓦級(jí)激光裝置的研制。歐盟計(jì)劃于2018年建成10拍瓦激光裝置,法國(guó)和英國(guó)也正在研制各自的10拍瓦激光裝置,美、俄、日等則提出了百拍瓦級(jí)激光裝置的設(shè)想。

  在國(guó)家發(fā)改委和上海市共同支持下,以10拍瓦激光裝置為核心的上海超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置的研制已被納入上海建設(shè)具有全球影響力的科創(chuàng)中心、打造世界級(jí)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施集群的首批重大項(xiàng)目,也將是上海張江綜合性國(guó)家科學(xué)中心的核心平臺(tái)之一。

  為什么10拍瓦是一道坎

  為什么各國(guó)都把建成10拍瓦激光裝置作為重要的目標(biāo)?上海光機(jī)所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任冷雨欣介紹,10拍瓦是一道坎,建設(shè)難度大,同時(shí)應(yīng)用范圍廣,一旦建成可以更好地提供極端物理?xiàng)l件與全新實(shí)驗(yàn)手段。

  “每步都很難,10拍瓦更是難上加難。”冷雨欣說,從1996年研制出鈦寶石2.8太瓦(1拍瓦=1千太瓦)激光裝置算起,科研團(tuán)隊(duì)為之奮斗了整整20年。2007年為了研制當(dāng)時(shí)世界最高鈦寶石功率0.89拍瓦的激光裝置,科研人員頂著壓力,沒日沒夜地干。當(dāng)時(shí),實(shí)驗(yàn)室的裝置需要預(yù)熱,大家輪流早晨6時(shí)就趕到實(shí)驗(yàn)室把空調(diào)打開。等到調(diào)節(jié)好設(shè)備開始實(shí)驗(yàn),差不多就到了下午,沒有一個(gè)人舍得按時(shí)下班,都喜歡在實(shí)驗(yàn)室工作到深夜。

  天道酬勤。2013年團(tuán)隊(duì)研制成功了當(dāng)時(shí)國(guó)際最高峰值功率2拍瓦激光放大系統(tǒng),此前國(guó)際最高激光峰值功率是由美國(guó)勞倫斯—利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室1999年創(chuàng)造并保持14年領(lǐng)先地位的1.5拍瓦。

  這一領(lǐng)跑優(yōu)勢(shì)一直保持到了今天。如果說激光放大技術(shù)是一座高峰,把脈沖時(shí)間壓縮到趨于無窮小則是一座更高的險(xiǎn)峰。能量不變的情況下,只有當(dāng)時(shí)間趨于無窮小時(shí),功率才會(huì)趨于無窮大。就在今年8月,科研團(tuán)隊(duì)解決了激光放大和脈沖壓縮的關(guān)鍵技術(shù)問題,實(shí)現(xiàn)了5拍瓦激光脈沖輸出。

  科學(xué)家預(yù)測(cè),未來5年,激光的聚焦強(qiáng)度可能超過1023W/cm2,甚至更高量級(jí)。這么大的光強(qiáng)意味著什么?估算一下,1021W/cm2相當(dāng)于地球接收到的太陽總能量聚焦到頭發(fā)絲粗細(xì)的尺度。如此巨大的光強(qiáng),人們可能會(huì)擔(dān)心超強(qiáng)超短激光裝置是否會(huì)帶來輻射。科研人員解釋說,盡管超強(qiáng)超短激光的功率達(dá)到拍瓦級(jí),但因?yàn)闀r(shí)間達(dá)到飛秒級(jí),其能量還不如一瓶可樂,在脈沖持續(xù)時(shí)間里,只有大約200焦耳的能量。需要知道的是,一臺(tái)2千瓦的微波爐如果工作1秒鐘,就能產(chǎn)生2千焦耳的能量,連牛奶都轉(zhuǎn)不熱??傮w而言,超強(qiáng)超短激光裝置產(chǎn)生的輻射很小,只需進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室防護(hù)即可。

  據(jù)介紹,這一項(xiàng)目預(yù)計(jì)明年年底將首批建成極端條件材料科學(xué)研究平臺(tái)、超快亞原子物理研究平臺(tái)、超快化學(xué)與大分子動(dòng)力學(xué)研究平臺(tái)等3個(gè)用戶實(shí)驗(yàn)終端,服務(wù)于物質(zhì)科學(xué)與生命科學(xué)的研究。

  中科院上海分院院長(zhǎng)、上海科技大學(xué)黨委書記朱志遠(yuǎn)評(píng)價(jià)這一國(guó)家戰(zhàn)略時(shí)說,在上海市委市政府部署下,超強(qiáng)超短激光裝置與同處張江的上海光源、國(guó)家蛋白質(zhì)中心上海設(shè)施等大科學(xué)設(shè)施共同組成了獨(dú)具特色的世界級(jí)大科學(xué)裝置集群。基礎(chǔ)科學(xué)的創(chuàng)新和前沿問題的探索,離不開核心技術(shù)的突破。這一世界級(jí)大科學(xué)裝置集群的建成,是上海建設(shè)有全球影響力的科創(chuàng)中心的重要內(nèi)涵,將為提升科學(xué)界基礎(chǔ)研究能力和前沿探索能力做出更大貢獻(xiàn)。

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