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超快超強激光及其科學應用發展趨勢研究

發布時間:2020-08-07 來源:元祿光電

一、前言

激光出現后,依托鎖模技術進入了飛秒(10–15 s)超快時代,并迅速應用到物理、生物、化學和材料等前沿基礎科學研究。Zewail教授因飛秒化學方面的開創性研究榮獲1999年諾貝爾化學獎。啁啾脈沖放大技術(CPA)進一步將激光推進到了超強時代,相關科學家榮獲2018年諾貝爾物理學獎。

 

超快超強激光是指同時具有超快時域特性和超高峰值功率特性的特殊光場,為人類在實驗室中創造出了前所未有的超快時間、超高強場、超高溫度和超高壓力等極端物理條件,極大地促進了物理、化學、生物、材料、醫學以及交叉學科等前沿科學的發展與進步??梢哉J為,超快超強激光是用于拓展人類認知的前沿基礎科學研究最重要的工具之一,在某些方面甚至是獨一無二、不可替代的研究手段。

 

超快超強激光技術在推動前沿基礎科學研究持續拓展的同時,又面臨著前沿基礎科學研究因自身深化探索而新增的能力支撐需求,這為激光技術體系發展賦予了強勁的牽引力。本文著重梳理超快超強激光的發展與科學應用需求以及國內外技術發展情況,在此基礎上就我國的領域發展目標和重點方向開展論證分析,以期為我國激光技術的穩步發展提供方向參照。

 

二、超快超強激光應用與發展需求分析

超快超強激光在相關前沿基礎科學研究中的應用拓展,亟需進一步提升激光參數,探索利用激光脈沖的其他參量來將超快和超強前沿基礎科學研究推進到更為深入的物質層次。根據前沿科學研究目標的差異,未來領域應用與發展的需求集中在以下兩部分。

 

(一)超快激光及其科學應用

這一方向的未來發展需求可細分為阿秒激光乃至仄秒激光、極紫外太赫茲全波段多維度參量精密可控的飛秒超快激光。

 

阿秒激光乃至仄秒激光追求采用更短脈沖寬度的超快激光來研究物質內部更快的超快過程,需要發展更高脈沖能量、更短脈沖寬度、更高光子能量的高性能阿秒(10–18 s)激光。將阿秒脈沖的光子能量推進到硬X射線波段和伽馬射線波段,將脈沖寬度推進到仄秒(10–21 s)的時間尺度,從而將人類能夠探索的物質層次從原子/分子水平推進到原子核尺度 。

 

飛秒時間尺度對應著原子/分子、材料、生物蛋白、化學反應等豐富物質體系的超快過程,有著廣泛而重要的應用。隨著研究的進一步拓展與深入,需要探索更加豐富和復雜的超快動力學過程,以致控制這些超快過程。為了對超快激光更多維度的參量特性進行調制和利用,不僅需要將飛秒激光的光譜拓展到紅外太赫茲波段、真空紫外極紫外波段,還需要發展包括時域、振幅、相位、光譜、偏振、空間模式等多維度參量在內的精密調控飛秒超快激光,以極紫外太赫茲全波段多維度參量精密可控的飛秒超快激光為代表。

 

(二)超強激光及其科學應用

根據定位和應用目標的差異,這一方向可分為低重復頻率超高峰值功率超強激光、高重復頻率高平均功率超強激光。其中,低重復頻率是指激光脈沖重復頻率在10 Hz及以下,高重復頻率是指激光脈沖重復頻率在1 kHz及以上。

 

唯有利用超強激光,人類方可在實驗室中產生宇宙星體內部和原子核內部才有的極端物理條件。利用低重復頻率超高峰值功率超強激光,可在實驗室中研究激光粒子加速、光核物理、伽馬光光對撞等微觀尺度的前沿物理問題,也可在宏觀尺度上研究超新星爆發、太陽耀斑、黑洞吸積盤噴流等天體物理現象,還可研究引力波、暗物質、真空物理等拓展人類未知的前沿基礎科學。針對國家重大理論與實驗研究的需求,如激光粒子加速器、核嬗變等核物理、高能物理、激光聚變能源新途徑、激光核醫學等,低重復頻率超高峰值功率超強激光提供了重要的科學研究工具。

 

在與國家戰略需求相關的應用領域,如空天安全、空天環境物理等方面,高平均功率的超強激光是重要的驅動工具,以能夠適應空天特殊環境的高重復頻率超強激光為典型。高重復頻率高平均功率的超強激光產生超強質子束、電子束、中子束、X 射線、伽馬射線,以致超強太赫茲脈沖等次級超強光源作為新型工具,可以拓展到光核反應、激光推進、核聚變能源和核廢料處理、疾病治療等更為前沿的重大基礎科學研究和實際應用中。

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1 超快超強激光的應用

 

三、超快超強激光國內外研究現狀

(一)超快激光及其科學應用

 1. 阿秒超快激光

20年的發展歷程表明,寬帶高次諧波產生阿秒脈沖來拓展應用的根本局限在于單脈沖能量偏低,國際主流的解決途徑是建立高功率和長波長的飛秒超快激光系統。歐盟投資數億歐元,在匈牙利建立了極端光裝置阿秒脈沖源(ELI-ALPS),通過兩個拍瓦激光系統產生高峰值功率和高平均功率的阿秒脈沖。長波長的中紅外飛秒激光脈沖系統可產生更高光子能量和更短脈沖寬度的阿秒脈沖,因此眾多研究機構均在這方面開展工作。高重復頻率阿秒激光研究也取得重要進展。另外,通過X射線自由電子激光(XFEL)產生阿秒脈沖也獲得了初步驗證,XFEL在產生高光子能量(硬X射線和伽馬射線波段)的高功率阿秒脈沖方面具有一定優勢。

 

國內阿秒激光研究集中在中國科學院所屬的上海光學精密機械研究所、物理研究所、西安光學精密機械研究所等科研機構。由于總體布局較晚,當前研究水平仍然相對落后。2009年,上海光學精密機械研究所測量了阿秒脈沖鏈的脈沖寬度,獲得了近傅里葉變換極限的阿秒脈沖激光。2013年,物理研究所產生并測量了單個阿秒脈沖,獲得了脈沖寬度為160 as的脈沖激光。西安光學精密機械研究所在阿秒脈沖激光研究方面承擔了較多任務。國內高等院校,如華中科技大學、華東師范大學、北京大學、國防科技大學等也在開展阿秒激光的相關研究。此外,一些研究機構還在高功率激光加速產生高能電子和伽馬射線等方面開展了系列工作。

 

2.飛秒超快激光

利用非線性光學方法,國際上早已將飛秒激光的波長從可見近紅外波段拓展到深紫外紫外、紅外太赫茲波段。自由電子激光器也已獲得真空紫外和極紫外波段以及太赫茲超快飛秒激光,具有高能量和波長可調諧的優勢,但相關裝置較為復雜。為了研究更復雜豐富的超快動力學過程,多參量光場精密調控和多波長飛秒超快激光也獲得了發展。

 

國內較多研究團隊直接采用商用進口的飛秒激光器,疊加非線性效應來拓展波長等參量。在光場精密調控和多波長飛秒超快激光方面,上海光學精密機械研究所、上??萍即髮W、西安交通大學等機構完成了系列研究。2019年,中國科學院大連化學物理研究所構建的自由電子激光器已經投入運行,在50~200 nm 真空紫外與極紫外波段實現了波長連續可調的超快激光輸出,發揮了飛秒超快激光對基礎科學研究的支撐和拓展作用。中國工程物理研究院利用自由電子激光實現了太赫茲波段超快激光輸出。

 

(二)超強激光及其科學應用

這一方向的國際研究進展快速且競爭激烈,世界上已建成50多套拍瓦級激光裝置。

 

1. 低重復頻率超高峰值功率超強激光

歐盟、美國、日本、韓國、俄羅斯等國家或地區均在建設十拍瓦級激光重大科學裝置。近期多個國家或地區提出了100~200 PW重大激光科學裝置的發展計劃。

 

歐盟10多個國家的近40個科研機構聯合提出超強光基礎設施(ELI)計劃,旨在發展200PW超強激光裝置,已被納入歐盟未來大科學裝置發展路線圖;2019年實現了10 PW超強激光輸出。法國 Apollon 激光裝置2017 年實現了5 PW激光輸出,2018 年實現了10 PW激光輸出,更高指標輸出目前有所延遲。英國 Vulcan 激光裝置計劃采用光參量啁啾脈沖放大(OPCPA)技術,將輸出脈沖峰值功率由拍瓦級提升至十拍瓦級。俄羅斯規劃用于極端光學研究的艾瓦中心(XCELS)擬實現200 PW峰值功率,待建激光裝置包含12束功率為15 PW、脈沖寬度為25 fs超強激光,利用相干合成技術來輸出激光。日本激光快速點燃實驗項目(LFEX)裝置已經實現了皮秒量級、脈沖能量達2 kJ的拍瓦激光輸出,主要用于支持快點火激光核聚變、天體物理方面的研究。韓國光州科學技術院(GIST)基于鈦寶石CPA方案,在0.1 Hz重復頻率下實現了4.2 PW激光輸出。美國羅徹斯特大學OMEGA EP裝置具有1 kJ/1 ps/1 PW的激光輸出能力,同步提出了百拍瓦級超強激光的發展構想。

 

國內低重復頻率超高峰值功率超強激光研究方向起步較早,已經形成了實力較強、梯隊合理的研究隊伍。自1996年起,每兩年召開1次的全國強場激光物理會議顯著促進了相關領域的學術交流和研究進展。近年來,我國在此方向取得了一些重要研究成果,部分成果已經處于國際領先水平。2017年,中國工程物理研究院基于大口徑三硼酸鋰(LBO)晶體和OPCPA技術路線獲得了近5 PW超強激光輸出。上海光學精密機械研究所利用鈦寶石CPA 方案,2016年在國際上率先實現5 PW激光輸出,2017年在國際上率先實現10 PW放大輸出;利用OPCPA技術也實現了1 PW激光輸出;2018年在國際上率先立項并啟動建設百拍瓦級超強激光裝置。此外,一些高等院校近期也提出了建設數十拍瓦級激光裝置的規劃設想。

 

2. 高重復頻率高平均功率超強激光

這一方向的技術方法主要分為碟片超快激光和光纖超快激光。碟片激光器在解決增益介質的熱效應管理問題之后,實現了平均功率為千瓦級的輸出。光纖飛秒激光具有散熱好、集成方便靈活、光束質量好、轉換效率高等優勢,且可實現1 MHz以上重復頻率的激光放大,近年來獲得迅速發展。受限于非線性效應,光纖中的CPA輸出能量和功率還不高。

 

2012年,國際知名學者Mourou教授在歐盟組織啟動了國際放大相干網絡ICAN)計劃,旨在推動基于光纖飛秒激光及其組束技術的發展,實現高重復頻率、高平均功率和高峰值功率的超強激光脈沖,探索應用于新一代粒子加速器的驅動源。在ICAN計劃(10J/100 fs/10 kHz超強激光)框架下,德國耶拿大學牽頭完成了光纖飛秒激光時間與空間組束的眾多研究。例如,已經采用16束光纖飛秒激光合束獲得了平均功率為千瓦級的高重復頻率激光輸出;提出的空間相干組束(16×32)與時間相干組束或脈沖堆積相結合的新技術方案,有望更加經濟地實現300 fs/100 TW超強激光輸出。

 

國內高重復頻率高平均功率超強激光還缺乏系統的研究布局,僅有上海光學精密機械研究所、北京大學、國防科技大學、天津大學等少量研究單位各自在分立的核心技術方向上開展研究和探索,如高性能增益光纖研制、碟片激光放大技術、光纖飛秒振蕩器、光纖CPA技術、空間激光組束、脈沖時間堆積和脈沖壓縮等。一些科研機構和高等院校對大模場面積增益光纖、高能量高功率飛秒激光等技術方向進行了持續研究。鑒于在微加工領域應用的良好前景,國內諸多企業開展了數十瓦功率的光纖飛秒激光產品研制,部分企業已經推出了功率為50 W及以上的飛秒超快激光產品。盡管發展迅速,但大多數產品需要采用國外的關鍵器件,而具有自主知識產權的關鍵器件還較少。整體來看,這方面的研究較為分散,尚未在產業鏈條上形成系統規劃和分工協作的局面。

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2 超強超快激光的應用

 

四、我國超快超強激光發展思路與目標

(一)超快激光及其科學應用

 1. 阿秒超快激光

阿秒脈沖的光子能量突破至1 keV乃至10 keV水平,支持開展阿秒超快內殼層電子動力學、電子自旋軌道動力學等基礎物理過程、大分子乃至生物大分子等復雜結構的超快電子動力學與結構變化等研究。涉及的關鍵技術包括:高功率、少周期、載波包絡相位穩定的中紅外激光系統,高亮度千電子伏特級阿秒激光脈沖產生,高分辨電子與多電子動量測量,通過康普頓散射方法將光子能量推進到硬X射線波段和伽馬射線波段。

 

超快脈沖的脈沖寬度突破至仄秒水平,支持開展深內殼層電子動力學乃至原子核的動力學研究。阿秒脈沖的光子能量達到10 keV水平乃至伽馬射線波段,阿秒脈沖寬度具備進入仄秒時間尺度的可能性。涉及的關鍵技術包括:與提高產生效率相關的技術,與實際應用相關的超快測量技術,仄秒脈沖寬度測量等。

 

2. 飛秒超快激光

隨著飛秒超快光譜基礎科學研究的發展,除了利用脈沖時域特性以外,光譜和偏振特性也是可以利用的重要特性。后續主要研究思路為:發展兆赫茲重復頻率極紫外太赫茲波段寬帶飛秒激光,發展高性能、多波長的飛秒激光脈沖和多波長飛秒光頻梳,實現同時脈沖形狀和空間徑向偏振(或渦旋)的、精密調控的特殊時空結構飛秒激光;發展吉赫茲重復頻率超快激光,突破單光子和量子糾纏等新型超快光譜技術,提升超快光譜的穩定性和探測效率,支持更加純粹的微觀體系和更加復雜的多體超快動力學過程研究;利用多參量精密可控的超快激光,研究腦科學、腫瘤、生物發育與再生等方面的生物過程精密光控制。

 

(二)超強激光及其科學應用

 1. 低重復頻率超高峰值功率超強激光

需求牽引在于重大前沿物理科學問題研究,以期拓展人類認知。后續發展方向依然是繼續提升激光的峰值功率(從100 PW1 EW),搶占最高聚焦功率密度(1025 W/cm2)的技術高地,為科學前沿研究提供最先進的極端物理條件。為了提升這類前沿實驗的效率和可靠性,還應適當提升超強激光的重復頻率,開展渦旋光等特殊光場的超強激光輸出及其應用研究;時空電場精密控制與波長調諧的超強激光將進一步拓展應用范圍。隨著激光聚焦功率密度的不斷提升,激光脈沖的時間對比度要求越來越高,應針對性開展有關輸出與測量的創新研究。此外,大口徑激光聚焦的創新研究和設計成為發展亟需,在有效提升聚焦功率密度的同時,可緩解放大輸出激光能量伴生的成本問題。

 

峰值功率和重復頻率是未來研究發展的突破口。預計在2025年、2030年和2035年,將分別實現100 PW、500 PW 1000 PW1 EW)峰值功率的激光輸出,在重復頻率方面也將取得突破性提升。

 

利用5年左右的時間,實現單發100 PW峰值功率輸出、重復頻率10 PW 激光輸出;激光裝置進行真空極化處理,支持天體物理、反物質等基礎研究初步取得開創性科研成果。

 

利用10年左右的時間,通過提升泵浦激光能量來突破大尺寸光柵等關鍵元器件的研制和延壽問題,利用空間激光合束等方法實現500 PW激光輸出,支持開展引力波、暗物質等前沿重大研究。

 

利用15年左右的時間,在更高功率泵浦激光方面,通過提升大尺寸光柵等關鍵元器件的尺寸和損傷閾值,結合空間相干組束方法來實現艾瓦級激光輸出;發展新型聚焦系統,將聚焦功率密度提升至1025 W/cm2;探索基于光和物質相互作用的新原理、新方法來實現艾瓦級激光輸出,為激光發展開拓新的技術方案;獲得達到近量子電動力學(QED)區域的超強激光,支持開展更加前沿的強場激光物理研究。

 

2. 高重復頻率高平均功率超強激光

根據我國的現有技術水平、技術發展預期和國家重大需求,高重復頻率高平均功率超強激光發展具有以下發展趨勢。

 

利用5年左右的時間,重點掌握飛秒光纖CPA、空間相干組束、脈沖時間堆積、大能量脈沖壓縮等核心技術,通過路徑和設計創新,降低這類激光的復雜性、難度和成本。

 

利用10年左右的時間,在實驗室中產生太瓦級千赫茲重復頻率的超強激光輸出;重點開展強場激光物理中的高次諧波產生阿秒激光脈沖、激光電子加速等研究,獲得高通量的阿秒激光脈沖,促進原子/分子和材料中阿秒動力學研究的發展;通過激光技術突破來帶動工業應用的大發展,降低光纖飛秒激光的功率成本。

 

利用15年左右的時間,實現十太瓦級千赫茲以上重復頻率的超強激光輸出;通過工業領域的批量應用來驅動光纖飛秒激光功率成本的顯著降低;對太瓦級激光進行空間合束,在實驗室中實現十太瓦級高重復頻率的超強激光;重點開展小型化粒子加速器研究,促進高重復頻率、高能量質子束在醫療領域的拓展應用;利用激光產生的高能中子源,探索激光聚變能源和核廢料處理等重要方面的應用。

 

五、超快超強激光的重點技術方向

1. 阿秒超快激光

未來重點發展方向主要包括:高能量單個阿秒激光脈沖,高平均功率(高重復頻率)阿秒激光,高光子能量阿秒脈沖,拓展阿秒脈沖應用的小型化高重復頻率阿秒脈沖。相關的技術發展方向為:高品質的少周期(含中紅外)激光脈沖技術,簡單便捷的阿秒激光脈沖測量技術、新型阿秒激光應用技術,高品質高亮度硬X射線和伽馬射線產生技術、仄秒激光技術等。

 

2.飛秒超快激光

未來重點發展方向主要包括:多波長高性能飛秒激光技術,寬帶雙頻/多頻梳飛秒激光技術,兆赫茲高重復頻率高性能真空紫外極紫外、紅外太赫茲超快激光技術,徑向偏振和渦旋等特殊偏振與空間模式的飛秒激光技術,吉赫茲高重復頻率小型化量子點超快激光技術,垂直腔面發射(VCSEL)超快激光技術,涉及時域、光譜、偏振、空間、相位和振幅等多維度光場精密調控的飛秒激光技術等。

 

3.低重復頻率超高峰值功率超強激光

聚焦功率密度、對比度是最重要的參數指標,應進一步發展放大技術、脈沖壓縮技術、空間聚焦技術、對比度提升與測量技術。未來重點技術方向具體包括:高通量放大技術(即超大能量的CPAOPCPA技術以及對應的超大口徑激光晶體或非線性晶體研制),等離子體拉曼放大和準參量啁啾脈沖放大(QPCPA)等新型放大技術,新型壓縮器設計及大口徑、高損傷閾值壓縮光柵的研制,大口徑超強激光組束技術,激光脈沖對比度提升與單發測量技術,大口徑超強激光時空特性在線測量技術,大口徑超強激光波前整形與新型高性能聚焦系統設計,超強激光時空電場精密控制與波長調諧技術,超強激光脈沖的腔外脈沖壓縮技術,渦旋、徑向偏振等特殊光場的超強激光產生及其應用等。

 

4.高重復頻率高平均功率超強激光

未來重點發展方向主要包括:新型飛秒光纖放大、新型碟片激光放大技術,高重復頻率飛秒激光脈沖時間堆積與空間相干組束技術及其衍生創新技術,空間相干組束中甚多束激光的相位測量與主動反饋控制技術,新型飛秒激光放大的特殊光纖設計與加工技術,脈沖壓縮與色散管理技術,高重復頻率激光泵浦源技術,高重復頻率放大過程中熱效應管理技術,高性能增益光纖、高性能啁啾光纖光柵與透射光柵等核心元器件研制,時空光場精密控制與波長調諧技術等。

 

六、對策建議

1)結合國家在太空與深空、醫療、能源、核物理等領域的遠期重大需求,真空物理、暗物質、引力波等國際重大基礎科學前沿的探索需要,盡快制定中長期發展戰略規劃,成立超快超強激光基礎科學中心或協同創新中心,為相關重要研究方向提供持續穩定的資源保障。注重基礎研究,追求實現更多01”的原創性突破,加強核心技術和卡脖子技術的梳理分類,提前進行科學布局和技術攻關。

 

2)基礎科學的突破發展,重在具有原創和創新能力的科研人員。鼓勵創造有利于創新的科研環境氛圍,建立有利于創新的科研管理與激勵制度。引進和培育更多數量的領域科研人才,特別是具有原創性科研思想和交叉學科背景的領軍人才。以人才發展保障眾多原創性成果涌現,從而引領世界激光領域的科學和技術研究。

 

3)提高人類認知的基礎科學研究,不僅需要本國科研人員的創新創造,還需要全球科學家的聰明才智。加強國際交流合作,吸引國際性人才開展聯合研究,進一步加速和提升相關科學研究。在超強激光這些我國已經處于領先地位的領域方向以及一些具有引領性、顛覆性創新的研究方向,可以考慮在一帶一路倡議框架下,開展重大基礎科學裝置建設,以我國為主并吸引其他國家(如亞洲國家、俄羅斯等)開展聯合研究和技術攻關。通過基礎科研成果共享(類似ELI計劃和黑洞探測計劃等)來提升我國科技創新的國際影響力。

 

4)為了更好更快實現基礎研究成果服務于國家經濟社會發展需求的目標,建議科研機構和高等院校加強與企業的合作,促進超快超強激光方面實用型科技成果的高效轉化。同時加強知識產權保護與管理,做好技術風險防范工作。

 

來源:中國工程院院刊


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