美国科学院报告建议加强高强度超快激光器研究

作者: 2018-02-08 09:52 来源:
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2017126日,美国国家科学院发布《高强度超快激光器的机遇:实现最亮的光》报告[1]。报告指出,美国已经给欧洲让出了高强度超快激光器研究的领导地位。报告建议,能源部至少投资一个新的大型设施,并牵头制定协调一致的国家研究战略。

激光已经变革了科学和社会的许多领域,实现了数万亿美元的商业。现在,拍瓦级激光器(1拍瓦等于1000万亿瓦)正在推动着第二次激光革命的到来。拍瓦级激光器广泛用于物理、化学、医学、制造业和国家安全等领域,将带来价值数十亿美元的激光产业和依赖它的价值数万亿美元的经济。因此,美国海军研究办公室(ONR)、空军科学研究办公室(AFOSR)、能源部科学办公室(DOE-SC)和国家核安全局(NNSA)委托国家科学院对高强度超快激光器的机遇进行评估。

报告指出,美国在该领域已失去了以前的统治地位。20世纪90年代,美国是高强度激光技术的领先创新者和主导用户,但现在,欧洲和亚洲已通过协同的国家研究和地区研究及基础设施项目,成为这一领域的主导者。目前,80-90%的高强度激光系统在美国之外的国家,目前正在建设或已建成的最高功率的研究型激光器都在美国之外的国家。

报告总结了未来高强度超快激光器源系统的发展方向。包括:更高峰值功率的10拍瓦级激光器在规划层面将计划使用光参量啁啾脉冲放大(OPCPAs)。许多较高峰值功率的系统将继续使用闪光灯泵浦的钕:玻璃。高重频先进拍瓦激光器系统(HAPLS)可用作劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)正在建设的钛宝石激光器的泵浦,并可在1拍瓦级别、10赫兹的脉冲频率、300瓦的平均功率下工作。许多在建系统都使用宽带参量放大器和交叉极化波(XPW)等脉冲对比度增强技术来以产生高水平的脉冲收缩比。正在开发的两个系统将从二极管泵浦掺镱介质直接产生近拍瓦的峰值功率脉冲。其他使用掺镱材料的工作将旨在获得纳秒级持续时间的脉冲,以作为OPCPAs的泵浦。国际相干放大网络(ICAN)能实现的各种参数将比目前的光纤激光器技术高出许多个数量级,但对大量光纤的定相控制以及获得高脉冲对比度比率等问题仍然是远远超出当前或不久将来的技术的重大挑战。自由电子激光器现在原则上可以达到与拍瓦级激光器相同的强度水平,但是在将来可能达到更高的强度。

报告建议研究发起人和他们所代表的美国资助机构应采取具体行动,以促进和加强美国参与高强度激光研究。

1)能源部应与白宫科技政策办公室(OSTP)、国防部、国家科学基金会(NSF)和其他联邦政府部门的研究部门合作,建立包括大学、产业和政府实验室在内的广泛的国家网络研究机构,作为支持高强度超快激光的科学、应用和技术的国家战略的基石。

2)研究机构应该邀请网络内的科学利益相关者来确定对研究需求最有用的设施和激光参数,重点关注峰值功率、重复频率、脉冲持续时间、波长和可调焦强度等参数。

3)能源部应牵头制定一个全面、跨部门的高强度激光器国家战略,包括开发和运行大型实验室项目的计划,中等规模项目,以及可在大学、产业和国家实验室之间技术转让的技术开发计划。

4)能源部应至少规划一个大规模开放式高强度激光设施,从而把能源部其他重要科学基础设施利用起来。

5)各机构应为美国科学家和工程师制定计划,包括中等规模基础设施,高强度激光科学的项目运作,关键基础技术的开发,以及参与极端光基础设施(ELI)等国际设施的研究。              (黄龙光)



[1] Opportunities in Intense Ultrafast Lasers: Reaching for the Brightest Light. https://www.nap.edu/catalog/24939/opportunities-in-intense-ultrafast-lasers-reaching-for-the-brightest-light

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