5拍瓦世界最强光期待扩大应用领域

试想如果将太阳照到地球上的所有能量聚焦到一根头发丝上，这样的光的强度会有多大?科学家给出的答案是：这相当于把达到全球电网平均功率的500倍的光聚焦到10微米。在物理学上，这种激光的功率被定义成1拍瓦。事实上，拍瓦级别的激光也是目前人类已知并且能够实现的强度最高的光源。 !}f1`/   
|&3x#1A  
近日，人类最高光强光源的瞬时功率上限取得了重要突破。中科院上海光机所-上海科技大学超强激光光源联合实验室的科研团队在张江综合性国家科学中心超强超短激光实验装置(SULF)上，成功实现了5拍瓦激光脉冲输出，这是世界上成功输出瞬时功率的最高值。SULF的下一个目标将是在国际上率先实现10拍瓦激光输出。 6Wj^*L!  
Y^KTkS0D  
黑洞边缘一道强光 N~^yL<O  
K4Sk+ v  
科学家通过该装置输出的超强超短激光，峰值功率可达5.3拍瓦，瞬间爆发的功率相当于全世界电网平均功率的2000多倍，对应的极端物理条件通常只有在恒星内部或黑洞边缘才能产生。 :~F:/5
 
(#D*Pl  
“虽说是超强超短激光，但实际上非常安全。我们达到5拍瓦的激光输出，其实每个激光脉冲能量还不到200焦耳。”中科院上海光机所科研人员对《第一财经日报》记者表示，“这只相当于普通微波炉开动高火0.1秒钟的能量。” vxFTen{-F  
6E~g#(8  
中科院上海分院院长、上海科技大学党委书记朱志远对《第一财经日报》记者表示：“未来几年，上海张江综合性国家科学中心超强超短激光实验装置将与上海光源、软X射线自由电子激光一起，组成张江‘超级光源’，成为照亮科学前沿、探索技术高地的一大中流砥柱。” r%@Lej5+  
"{D6J809  
记者在位于张江的中科院上海光机所-上海科技大学超强激光光源联合实验室里看到了大大小小几十枚形状、颜色各异的“镜子”，光源都是透过这些“镜子”发生折射和处理的。其中一枚长得与众不同的“镜子”引起了记者的注意——这是一枚玫红色的圆形“镜子”，放在了整个实验桌子的最末端。实验室研究人员告诉记者，这可不是一枚普通的镜子，而是整个实验室的“镇馆之宝”——叫做“钛宝石”。装置主要研发人员、上海光机所梁晓燕研究员随后向记者介绍了该激光装置所采用的基于大口径钛宝石晶体的啁啾脉冲放大(CPA)的技术路线。 \Q~8?p+  
m2~&#c\  
6e,xDr  
该项目研究团队创新发展了大口径高增益CPA放大器的主动寄生振荡抑制技术和激光光谱色散的精密控制补偿技术等，也是首次在国际上实现了200焦耳以上能量水平的宽带(70纳米)激光放大输出。“主放大器输出的数纳秒级啁啾脉冲经过采用大口径光栅的脉冲压缩器压缩至亚30飞秒脉冲，压缩后激光脉冲的峰值功率最高可达5.3拍瓦，这是目前已知的国际最高激光脉冲峰值功率。它可以提供超高的强度和超快的时间分辨率，由此可导致新的科学和技术突破。”梁晓燕对记者表示。 $e1=xSQp4  
gF?[rq
z{  
跟踪蛋白质原子 /./"x
~@  
g{IF_ 1  
据科研人员介绍，SULF还将继续升级，其输出的各种波段的辐射脉冲，其时间宽度会从飞秒级，提高到阿秒(10的负18次方秒)级，甚至仄秒(10的负21次方秒)级，将开辟光波电子学与信息新技术、超快光核物理研究的新学科领域。 t_z,>,BqJ  
F&RgT1*  
由于超强超短激光能产生极端条件，所以应用也非常广泛。科学家可以利用这特殊的激光用于研制电子加速器和超快X射线源;通过制造反物质，甚至可能探测暗物质，来研究天体物理和宇宙起源，未来还有望替代“杀癌利器”质子治疗仪中的加速器。 ;U9J++\d<A  
VU`OO$,W  
科研人员告诉记者：“超强超短激光光源研究的突破能够服务于其他学科的基础研究，首先是在瞬间能提供一个很大的输出，产生一种特殊的状态，这个状态就可以模拟多种材料的特殊工作环境。比如一些材料容易疲劳或者受损，我们可以让它在短时间里加速老化，就可以研究材料的寿命问题。所以对材料科学会有推动。第二个是生命科学领域的用处，因为光源在时间尺度方面会很短，有可能会看到蛋白质里面原子运动的动态过程，它也会对生命科学带来帮助。” $ _
j[2EU  
=Prb'8 W  
他还补充道，上海光源已经在生命科学方面有很大的应用价值，能够发现一些蛋白质晶体的结构。目前测定蛋白质分子三维结构的最有效的手段是X射线衍射。但是采用超强超短激光产生的超快X射线可能观测到蛋白质内原子的运动。“就好像快速运动的物体如果用普通的闪光灯拍下来会糊掉，但是我们的闪光灯很快，所以可以抓住原子的运动过程。”研究人员对记者表示。这可能会把生命科学研究带入一个崭新的时代。 H}hFFI)#Oo  
M`YWn ;  
“同步辐射光源的应用已经很广了，而超强超短激光现在还处于一个应用开拓的阶段。”研究人员向记者介绍道，“上海光源是同步辐射光源，全世界有好几台类似光源作为用户装置在使用，它已经成为了一种综合性研发平台，而超强超短激光以前主要是非常专门领域的科学家在使用的，就好比天文望远镜那样，主要是天文学家在用，但是现在我们希望扩大它的应用领域”。 6W[}$#w  
Sr?#wev]rn  
全球竞赛 7?j;7.i s(  
gr-9l0u  
目前国际上已有包括欧盟、法国、英国等多个国家投入巨资大力发展超强超短激光光源，因此这一领域的国际竞争非常激烈。科研人员对《第一财经日报》记者表示：“大家都在你追我赶，很难说谁能保持领先。” W%<
LTWOc  
+4;uF]T  
2012年，欧盟投资8.5亿欧元，计划于2018年建成10拍瓦的激光用户装置，法国和英国也正在研制各自的10拍瓦激光装置，美、俄、日等则提出了百拍瓦级超强超短激光装置的研究设想。 ;Uc0o!1  
v ^[39*8  
2013年，上海光机所团队在世界上率先研制成功2拍瓦的激光放大系统，为当时国际最高峰值功率。去年年底，该团队研制成功5拍瓦激光放大技术验证系统。“当功率高到一定程度，再提高哪怕一点点，都相当困难。”梁晓燕研究员对《第一财经日报》记者表示，“突破的关键在于如何将更高能量传递给输出的超短激光脉冲。” Kt@M)#  
$rIoHxh. y  
5拍瓦激光脉冲输出项目的重大进展为SULF项目实现10拍瓦激光脉冲输出的研制目标奠定了坚实的技术基础。据悉，SULF项目预计将首批建成包括极端条件材料科学研究平台、超快亚原子物理研究平台和超快化学与大分子动力学研究平台等3个用户实验终端，服务于物质科学与生命科学的研究。面向国内外高校，科研机构和企业全面开放，并充分融入上海光源装置，形成多学科综合研究平台。（来源: 第一财经日报(上海)）