綜述|回顧與展望:世界范圍內拍瓦和艾瓦級激光器

朱坪

“我認為這是一篇優秀的論文,反映了超高強度激光科學、技術和工程領域的快速發展。”

——李儒新院士,上海光機所所長

“這篇綜述論文非常及時,因為我們正處于高功率激光發展的三岔路口:一方面為基礎物理研究提供更高的峰值功率,另一方面在現實應用中將重復率大幅提高到每秒數千次。”

——Colin Danson教授,《High Power Laser Science and Engineering》主編

“該領域的科學家以及學生都會從這篇全面的綜述中受益匪淺……這篇論文提供了一個獨特的全景,介紹了世界范圍內此類激光器獨特的功能與不斷提升的性能,并展示了該領域巨大的潛力……這無疑是一個新的里程碑。”

——Leonida Gizzi教授,意大利國家光學研究所主任

還記得2015年英國著名激光物理學家Colin Danson教授領銜的國際激光物理科學家團隊在High Power Laser Science and Engineering上發表的綜述文章《Petawatt Class laser Worldwide》嗎?此文全面介紹了當時世界上高功率激光裝置的性能參數與應用,獲得廣大研究者好評,是Web of Science核心集中的高被引論文。2018年,啁啾脈沖放大技術的發明者Gerard Mourou教授和Donna Strickland教授榮獲諾貝爾物理學獎。2019年,Colin Danson教授團隊再次發表綜述論文《Petawatt and Exawatt Class laser Worldwide》,介紹了世界各地超高功率激光器現狀,并展望了下一代高功率激光技術的突破方向。

歷史背景與里程碑

自1960年激光發明以來,激光技術經歷了調Q(Q-switching)、鎖模(mode-locking)等發展階段,在實驗室中實現了前所未有的高能量密度物質狀態。1985年,啁啾脈沖放大技術(CPA)的提出使得激光輸出功率實現了飛躍性的發展。從上世紀90年代開始,世界上陸續出現拍瓦(1015 W)級激光系統,包括NOVA Petawatt、Vulcan、OMEGA-EP、J-KAREN、BELLA、ELI等里程碑式的激光裝置,同時釹玻璃放大、鈦寶石放大、光參量放大等技術也得到了長足發展。

圖1 高功率激光系統裝置與技術發展歷史

發展現狀與地緣分布

最新綜述的第二部分從地理布局的全新角度介紹了當前世界超高功率激光裝置的發展現狀。目前,超過50個高功率激光裝置分布在北美洲、歐洲、亞洲的多個國家與地區,其中許多裝置已經建成并提供實驗運行,部分裝置正在建設之中,還有不少更大規模的高功率激光裝置計劃開建。未來,亞洲將成為超高功率激光系統發展的重心。文中提到,全球激光輸出能力的提升與裝置的廣泛分布,得益于大裝置零部件從國家實驗室到學術界的轉移與再利用,從早年的美國NOVA裝置和法國Phebus裝置中衍生出了德國PHELIX、英國Vulcan PW、美國Texas PW、法國LULI-2000等當前穩定運行的高功率激光裝置。

圖2 高功率激光器的地理分布。圓的直徑與激光峰值功率成對數關系;正在運行的為實線圓圈,過去運行但現在停用的為實線八角形,正在建設的為虛線圓圈;顏色表示最終放大器使用的激光介質:鈦寶石(紅色)、釹玻璃(灰色)、Yb:X(橙色)、Cr:X(黃色)、光參量放大(紫藍)、氣體(粉紅)。

未來技術發展展望

更高峰值功率的激光裝置不但可以用于探索更高能量密度物質的科學,還可以應用于醫學診斷和治療、射線照相、無損檢測、特殊核材料探測、對撞粒子加速器、慣性聚變能源等領域,這些應用目前已完成了原理性驗證,未來真正應用則需要激光驅動器具有更高的重復頻率。綜述文章指出,為了實現更短脈寬、更大能量、更高重復頻率的激光輸出,需要在以下幾個技術發展方面上進行不斷突破:

1、面向艾瓦(1018 W)級的光參量啁啾脈沖放大(OPCPA)技術、CafCA非線性壓縮技術、等離子體放大技術等超高峰值功率技術發展;

2、高平均功率氣冷技術、萬瓦級拍瓦激光技術、低溫高平均功率激光技術、相干合成技術、時域脈沖合成技術、溫度不敏感OPCPA技術等高平均功率技術發展;

3、中紅外激光技術、脈沖信噪比提升技術、等離子體光學技術、先進光學元器件、激光診斷技術、等離子體診斷技術、制靶技術等具有挑戰性的關鍵技術發展。

圖3 CafCA非線性壓縮技術。

圖4 HAPLS激光裝置。

圖5 耶拿16通道相干合束系統。

圖6 用于實驗的復雜氣體靶。

綜上,最新綜述著眼于超高功率激光的歷史背景、發展現狀與未來方向。當前各大洲的各國家和地區擁有什么樣高功率激光裝置?未來高功率激光發展中有哪些關鍵問題與關鍵技術?想要了解更多細節,歡迎大家閱讀在High Power Laser Science and Engineering上發表的這篇最新綜述文章:《Petawatt and Exawatt Class laser Worldwide》。

On the Cover of HPL: Petawatt and exawatt class lasers worldwide

Rory Penman and Colin Danson

An international team of scientific experts has gathered to examine the current status of ultra-high-powered lasers around the world and look to the future to predict what the next generation of laser systems will offer. The culmination of their work is a major review paper ‘Petawatt and Exawatt Class Lasers Worldwide’, which looks at the historical context of this technology, its current and future use, and direction.

These ultra-high power lasers are capable of creating some of the most extreme conditions found in our solar system, if only for a tiny fraction of a second. They are used for understanding fundamental physics and producing secondary sources such as x-rays, electrons, protons and neutrons.

The paper takes a geographical tour of Asia, Europe and North America documenting operational facilities and those under construction. This is followed by a focus on future technologies where the authors have identified two main laser development streams: ultra-high-power and high-average-power. The first of which describes how scientists will produce exawatt class lasers, whilst the latter looks at how we can produce petawatt pulses at repetition rates at and beyond kHz repetition rates. The paper then concludes with a view to the future and what grand challenges need to be overcome in order to achieve the ultra-high-power and high-average-power lasers.

These two development streams are both working on some really exciting laser physics at the moment:

In the ultra-high power stream teams of scientists all over the world are working towards smashing current power records. Using the OPCPA (Optical Parametric Chirped Pulsed Amplification) technique a team at SIOM, China are planning to deliver 100 petawatts in 2023. This is particularly impressive when you consider that in the year 2000 scientists using the OPCPA technique were only capable of delivering 1.6 terawatts; that’s a 62,500 times increase in output power in just 23 years.

In delivering high repetition rate systems at ultra-high powers the review paper identifies those milestone events: the BELLA facility producing petawatt pulses at 1 Hz in 2013; and the HAPLS laser producing petawatt pulses at 10 Hz in 2018. This incredible progress will have to continue in the next decade to deliver the kHz petawatt class lasers of the future for industrial / medical applications.

Geographic distribution of high-peak-power lasers (top). Diameter of circle is logarithmically proportional to peak laser power and circle colour is chosen for graphical clarity. Evolution of high-peak-power lasers ( > 100 GW) in the world over the last fifty years (bottom).