發布時間：2021-05-24所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：激光是受激輻射放大光，其方向性好、單色性好、相干性高，且能量在空間高度集中。隨著激光技術的快速發展，激光器成為繼加速器和反應堆之后研究核科學的一種新手段。本文回顧了中國原子能科學研究院激光技術及其應用研究的發展歷程，總結了準分子激光
摘要：激光是受激輻射放大光，其方向性好、單色性好、相干性高，且能量在空間高度集中。隨著激光技術的快速發展，激光器成為繼加速器和反應堆之后研究核科學的一種新手段。本文回顧了中國原子能科學研究院激光技術及其應用研究的發展歷程，總結了準分子激光技術、沖擊波物理、超快超強激光技術、強場激光、激光核物理和光譜技術的發展現狀和最新進展，并展望了“超級天光”綜合激光裝置、基于大型激光裝置的物理工作和中小型特色激光器在核科學技術中的應用前景。
關鍵詞：準分子激光;超快激光;沖擊波;激光核物理;激光加速;光譜技術
激光是外部光子激勵下產生的受激輻射放大光，其原理始于1917年愛因斯坦提出的受激輻射概念。1960年，美國物理學家梅曼發明了世界第1臺激光器———紅寶石激光器。1962年，基于快速腔內光開關的激光調Q技術出現，提高了脈沖峰值功率[1]。我國的激光技術與國際同步發展，1961年我國第1臺紅寶石激光器研制成功，隨后各種類型的激光器相繼出現[2]。由于激光器發射的光子在空間和時間上高度集中，相位高度一致，因而可獲得普通光源無法達到的高功率密度和極好的方向性、單色性和相干性，從而在工業、農業、醫療、天文、地理、科研等各領域中得到了廣泛的應用。
激光與核的結合起源于1964年王淦昌先生與蘇聯巴索夫院士各自獨立提出的激光聚變的概念[3]，這一設想成為目前國際上深入研究的慣性約束聚變科學概念的雛形。1978年，根據國外發展情況，王淦昌提出在中國原子能科學研究院開展電子束慣性約束核聚變的建議，隨后由王乃彥、曾乃工、王文昌、馬維義、龔堃、楊大為、馮奇、劉慰仁、梁延波、王碧丹、羅玉明、杜世剛、趙榮生、洪潤生、戴春祥、王樹茂、萬春侯、許金奎組成了電子束約束聚變研究組，開始加速器的物理設計工作。在基本明確電子束與靶物質相互作用機制的情況下，中國原子能科學研究院慣性約束聚變研究團隊否定了電子束作為聚變驅動器的可能，及時把研究方向轉向氟化氪(KrF)激光聚變研究。1983年，研究室開展了電子束泵浦KrF準分子激光裝置的研制[4]，開始了激光技術在核工業中的研究工作。1995年，“天光一號”電子束泵浦激光裝置建成，實現400J/200ns激光輸出[5]，我國準分子激光研究步入了國際先進行列，中國原子能科學研究院成為我國KrF準分子激光技術以及KrF激光慣性約束聚變研究的重要基地。2000年，“天光一號”主振放大系統(MOPA)光學角多路通過驗收，裝置的靶上激光輻照功率密度接近10TW/cm2[6]。2001年，建立了744nm/248nm全固態飛秒超快脈沖裝置[7]。2010年，建成十太瓦超快超強激光裝置，并于2020年升級至百太瓦。
電子束約束聚變研究組現已發展成為具有激光技術、等離子體物理、激光核物理以及激光光譜等領域研究能力的激光綜合研究室———強流粒子束與激光研究室，基于建成的激光裝置，開展了激光技術、高能量密度物理、激光粒子加速等領域的研究。本文將介紹激光技術和應用在中國原子能科學研究院的研究現狀和未來展望，為核工業的發展提供新動力。
1自主建成“天光一號”高功率KrF準分子激光器并開展沖擊波物理研究
20世紀70年代末，在鹵化物準分子激光問世后不久，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的Ewing和Brau建議將此用于慣性聚變驅動器研究，并提出通過角多路編碼技術壓縮脈寬建立準分子激光驅動器的設想[8]，之后美國、英國、日本等紛紛付諸實踐，陸續建立了各自高功率準分子激光裝置。高功率KrF準分子激光器具有輸出波長短(約248nm)、激光帶寬寬(約2THz)、本征效率高(約12%)、可重頻(7Hz)運行的特點，在提升束靶耦合效率、抑制等離子體不穩定等方面具有獨特優勢，是一種發展聚變能源的優選驅動器[9]。美國、俄羅斯、日本、英國和我國先后開展了大能量電子束準分子激光泵浦準分子激光裝置和光場調控技術的研發[10-13]，充分顯示了準分子激光的光束均化[14]和變焦能力[15]、脈沖形狀調控能力[16]、激光器高效高重頻運行能力[17]。預期在亞兆焦規模(250kJ)的KrF激光裝置上即可完成直接驅動聚變的驗證演示，實現100倍的能量增益[18]。
中國原子能科學研究院建成的“天光一號”激光器是國內最大型的KrF準分子激光裝置，采用主振放大結構，包含KrF激光前端、一級放電泵浦KrF準分子激光放大器、兩級電子束KrF激光放大器、六路光學角多路系統、物理靶場等，6束激光靶面聚焦能量100J、脈沖寬度23ns、焦斑直徑500μm。系統采用無階梯鏡誘導空間非相干技術(EF-ISI)和像傳遞技術，在靶上獲得的輻照不均勻性小于2%，接近美國海軍實驗室NIKE裝置的約1%，這是目前國內所有高功率激光系統具有的最好的光束均勻性。基于天光裝置，先后開展了材料高壓狀態方程與沖擊動力學特性、空間碎片模擬發射技術、激光直接驅動準等熵加載等研究。
1.1電子束泵浦準分子激光裝置的研發
1984年，中國原子能科學研究院利用80GW強流電子束加速器橫向泵浦KrF激光介質，首次獲得6J的KrF激光輸出。1991年，側向電子束泵浦KrF激光實現了100J的能量輸出。1995年，通過改建原有的電子束加速器和激光腔建立了雙向電子束泵浦的KrF激光裝置，“天光一號”激光裝置振蕩輸出達到400J/200ns。同時，建立了“天光二號”裝置用于kJ激光放大級的脈沖功率技術驗證[19]。
2000年，以LPX-150激光器為種子光源的“天光一號”MOPA角多路系統建成，系統采用兩級電子束泵浦激光器進行激光脈沖放大，采用CHEL3300作前級放大器，并采用光學角多路的方式進行脈沖壓縮，實現了100J/23ns的激光輸出，靶上功率密度達1013W/cm2。2004年，“天光一號”均勻化MOPA角多路系統引入一級放電泵浦的激光器作為前級放大器[20]，使系統各級放大器均工作在增益飽和狀態(表1)。
為開展光學角多路的建設，研制了高損傷閾值的光學鍍膜，并建立激光損傷閾值的測試方法[21]。經過多年發展，KrF激光反射器件的光學損傷閾值已達5J/cm2，透射器件的損傷閾值達10J/cm2，接近國際先進水平[22]。
近年來，正在深入研討“天光一號”系統主放大器的優化方案，通過對脈沖功率源、二極管和激光腔的優化，實現kJ量級的激光能量輸出[23]。
1.2高功率準分子激光的時空參量調控
2000年以來，“天光一號”準分子激光系統的優化主要著力于發展激光時空參量的調控技術、實現裝置參數的集成測控。為改善激光對靶的輻照強度均勻性，在“天光一號”裝置上先后對采用隨機相位板、無階梯誘導非相干和像傳遞技術勻化光束空間分布截面的效果進行了驗證。最終選擇采樣放大自發輻射光源(ASE)輻照物孔的方法在系統前端獲得高均勻性的近場分布截面，通過6束MOPA放大和像傳遞系統在靶丸上獲得近平頂的遠場光斑，有效焦斑直徑400μm范圍內輻照功率密度接近3.7GW/cm2，光強均勻性優于1%[24]。近期，在“天光一號”裝置上開展利用光導勻化放大自發輻射光源的嘗試，可有效提升光源利用效率，消除種子光源放電泵浦過程對光束截面均勻性的影響[25]。圖1為“天光一號”裝置光源光斑光強分布、靶面光斑光強分布及脈沖波形。
激光脈沖的形狀直接決定了靶的熱力學參量加載過程，因此，激光場的時域參數調控，亦即脈沖整形，是開展激光束靶相互作用研究的內在要求。“天光一號”系統曾利用光學角多路結合飽和吸收體、SRS、SBS獲得短脈沖輸出。早期的脈沖整形是基于增益飽和效應的脈沖寬度壓縮[26-28]。近年來，利用KrF準分子激光介質上能級壽命短的特點，發展了增益控制技術，通過與脈沖堆積技術相結合，已在系統光源上獲得了具備沖擊點火研究所需時域波形特征的非相干光脈沖[29]。
“天光一號”裝置在完成承擔的科研任務的同時，先后完成脈沖功率裝置開關改造、氣系統和光電參量監控系統的升級改造，實現了自動充氣、脈沖功率裝置參數自動采集、激光參量的在線監控和關鍵部位的光束自動調節[30-34]，集成調控系統已經初見雛形，為開展高速飛片加載等精密物理實驗提供了有力支撐。
1.3太瓦超快脈沖準分子系統研發
太瓦到拍瓦的超強激光裝置是開展激光核物理、聚變快點火和沖擊點火的有力工具，但受制于光學材料的性能，目前主要運營和在建的超強激光裝置多工作在紅外波段。KrF激光波長在紫外區，發展太瓦超快脈沖KrF激光裝置，可與主流超強激光形成互補，通過研究相關物理現象的波長效應，深入理解相關物理過程。
“天光一號”裝置的紫外超快激光系統采用固態種子光源/準分子激光放大器的混聯結構，固態光源輸出的三倍頻百飛秒脈沖經一級放電泵浦準分子激光器放大后能量提升至50mJ，激光聚焦功率密度達1017W/cm2[35]。50mJ/420fs紫外激光脈沖經過單級電子束泵浦激光裝置雙程放大后，實現了2TW(2～3J/1.2ps)的激光輸出[36]。由于KrF準分子的增益恢復時間接近2ns，對于“天光一號”裝置的電子束泵浦激光放大器，180ns的泵浦時間足以承擔60束超快脈沖序列的放大，理論上，現有“天光一號”裝置即可獲得百太瓦深紫外激光脈沖，脈沖對比度也會較單脈沖放大有所改善。目前，“天光一號”裝置開展的KrF短脈沖激光的放大和組束研究[37-38]，已實現四脈沖的組束和雙脈沖的多級放大，為進一步獲得數十太瓦激光脈沖奠定了基礎。
相關期刊推薦：《原子能科學技術》月刊，1959年創刊，國內外公開發行，全國性學術與技術兼顧的原子能類核心期刊。本刊主要收登核科學技術方面具有創造性的科技成果，旨在促進核科學與技術方面的交流、核技術與其他科學技術間的交叉滲透，推動核科技在國民經濟方面的應用。欄目設置為“物理”、“化學”、“反應堆工程”、“技術及應用”。
作為高能量密度物理研究的驅動器，高功率準分子激光向著更大能量[39]、更高功率[40]、更短波長[41]、更寬頻帶[42]以及高效高重頻方向發展。高功率準分子激光裝置可輸出從深紫外(ArF，193nm)到可見光(XeF，480nm)波段的多波長激光輸出，發展具備時空參量調控能力的高功率準分子激光裝置，將極大拓展高能量密度物理的研究條件，為深入理解激光與物質相互作用過程提供支持。
1.4激光驅動沖擊波物理研究
激光燒蝕薄膜材料產生等離子體，等離子體膨脹可驅動產生沖擊波向材料內部傳輸，并使其獲得超高速度。因此，通過激光直接加載或激光驅動高速飛片撞擊加載兩種方式可實現材料的動高壓沖擊波加載過程，并在靶材料內產生高溫、高壓、高密度的極端條件，從而在慣性約束聚變、高能量密度物理、材料科學、武器物理以及空間科學等領域有廣泛應用。基于“天光一號”裝置，開展了一系列的高壓狀態方程[43-46]、高速飛片發射[47-49]、高壓聲速測量[50]以及準等熵加載[51-52]等綜合性的沖擊波物理實驗。
1)高壓狀態方程
高壓狀態方程是評價極端條件下材料性能的重要參數之一，通過測量靶樣品內部的沖擊波速度、粒子速度，結合沖擊波雨貢紐方程可獲得靶材的壓力、密度、溫度等物性參數。為滿足慣性約束聚變、地球物理等方面的需求，國內外在液氘、碳氫材料、鐵、硅酸鹽等材料狀態方程測量方面做了大量工作[53-56]。基于“天光一號”裝置，通過輻照平面型、臺階型等不同結構參數的鋁、鐵樣品材料，研究測量了其100GPa壓力下的狀態方程數據(沖擊波速度與粒子速度的關系)，如圖2所示，鋁材料內驅動產生的沖擊波速度達9km/s，粒子速度達3.9km/s，對應的壓力可達95GPa，密度被壓縮至4.8g/cm3;鐵作為地核內部主要成分，密度相對較高，高壓特性更復雜，“天光一號”驅動可在鐵內產生36GPa的壓力，沖擊波速度達5.2km/s，并被壓縮到9.4g/cm3。
2)高速飛片發射
激光驅動可產生超高速飛片，高速飛片二次撞擊靶樣品，可驅動產生更陡峭的沖擊加載，同時還可研究撞擊破壞效應，因此在動高壓加載、材料力學、ICF以及空間碎片等領域有廣泛應用。美國海軍實驗室NIKE激光裝置、日本GEKKOⅫ-HIPER、我國神光系列等kJ級激光裝置在激光驅動高速飛片方面開展了大量工作，并驅動產生了10km/s以上的金屬飛片以及1000km/s以上的CH薄膜飛片[57-59]。在“天光一號”裝置上，采用側向陰影照相與VISAR速度干涉儀診斷技術，研究了不同束靶條件下的高速飛片加速過程，掌握了5～15km/s高速飛片發射與診斷技術。側向陰影圖像如圖3a所示，側向陰影圖像可準確獲得飛片的飛行軌跡，獲得飛片飛行的路徑-時間關系，鋁飛片在60ns的時間范圍內保持近似勻速運動，速度達5km/s。改變束靶條件，飛片內的沖擊動力學過程發生改變進而導致宏觀的加速狀態發生改變，典型的就是變加速運動。此時側向陰影照相技術獲得的路徑-時間曲線可通過微分獲得速度變化史，但受起飛時刻測量精度及復雜沖擊動力學過程影響，存在較大的誤差，因此其更適合于勻速運動或平均速度測量。相比之下，VISAR速度干涉儀診斷技術可通過條紋移動直接獲取飛片的速度變化，干涉條紋圖像如圖3b所示，條紋連續的變化表征了飛片呈準連續加速過程，最終速度達13km/s。
此外，基于“天光一號”激光裝置，開展了激光驅動的高壓聲速測量[50]，采用加窗VISAR法測量了35GPa下鋁樣品的Lagrange縱波聲速為7.9km/s，與理論預估結果相符。采用激光直接驅動靶樣品[51]、激光驅動氣庫材料[52]撞擊靶樣品等方式實現了20GPa的準等熵加載過程，開展了準等熵加載關鍵技術的研究。
2自主建成百太瓦超快超強激光系統并開展強場激光物理研究
1985年，Mourou等[60]提出啁啾脈沖放大技術以來，超快超強激光裝置得到飛速發展，激光的峰值功率從TW提升至PW[61-62]。當激光峰值功率達到數十TW時，激光脈沖的聚焦強度超過1018W/cm2，相對論光學應運而生。目前國際上的超快超強激光裝置超過100臺[63]，大部分裝置的峰值功率為100～200TW，少量為PW量級，國內的主要研究單位為中國科學院上海光學精密機械研究所、上海交通大學、中國科學院物理研究所、北京大學、清華大學、中國工程研究院、中國原子能科學研究院等。
2.1百太瓦超快超強激光裝置的研制
中國原子能科學研究院自主研制建立了百太瓦強場激光與等離子體相互作用的研究平臺，包括百太瓦超強超快激光系統、靶室和真空系統以及相關診斷設備。
百太瓦飛秒激光裝置如圖4所示，主要包括鈦寶石飛秒振蕩器、1kHz再生放大系統、脈沖凈化模塊、Offner展寬器、四通預放大模塊、普克爾盒和法拉第隔離器、第1級六通放大模塊、第2級四通放大模塊、第4級四通放大模塊和壓縮器。再生放大系統提供1kHz、800nm、1.5mJ、35fs的超快激光脈沖，在空氣中通過交叉偏振技術，利用3mm厚、切割角度為011的BaF2產生20μJ的高時域對比度的脈沖，轉換效率為10%。然后通過Offner展寬器，展寬后的半高寬脈沖寬度為750ps，展寬后的脈沖通過Dazzler模塊控制激光的光譜形狀和相位，以減少增益窄化和補償高階色散獲得接近變化極限的脈沖寬度。前3級多通放大的泵浦光均通過成像系統將泵浦激光從激光器的入口位置成像至鈦寶石晶體，以提高泵浦激光在鈦寶石晶體的光束質量并減少空間抖動。預放的四通放大模塊利用20mJ的泵浦光獲得500μJ的放大輸出，然后通過普克爾盒切除ns尺度的預脈沖進一步提高激光的脈沖時域對比度，通過法拉第隔離器以防止激光回光損毀預放模塊中的光學元件和Dazzler。第2級六通放大模塊采用雙端泵浦，泵浦光為140mJ，放大后的激光能量為40mJ。第3級四通放大模塊采用雙端泵浦并通過真空管道成像，泵浦光為2J，放大后的激光能量為800mJ。第4級四通放大模塊也采用雙端泵浦，并通過衍射光學元件(DOE)勻滑泵浦激光使得泵浦光在鈦寶石晶體上的光斑為平頂光斑，泵浦光為12J，放大后的激光能量為5J，能量起伏為1.2%(RMS)。然后放大脈沖的直徑從25mm擴展至75mm，進入真空壓縮器進行壓縮，壓縮后的脈沖寬度為35fs，能量為3.5J，最終的輸出功率為100TW。各級放大系統的輸出光譜示于圖5。
2.2超快激光振蕩器的研制
在超快超強激光領域，除目前基于Ti：Sapphire的激光器外，半導體激光器的發展也對超快脈沖激光的進步起巨大的推動作用，特別是基于Yb摻雜晶體的超快脈沖激光器逐漸向全固化、高重復頻率、高功率、小型化方向發展。未來的第3代超快超強激光器[64]的主要方向是基于Yb超快超強激光器作為泵浦源，通過OPCPA產生高重復頻率的超快超強激光。在眾多摻Yb3+晶體中，Yb：KGW和Yb：CGA具有優異的光學、熱力學等綜合性能，是目前發展較成熟的兩種激光增益介質，為實現高功率的超快脈沖激光提供了強有力的支持。——論文作者：王釗，賀創業，趙保真，高智星，張驥，田寶賢，席曉峰，李靜，呂沖，孟祥昊，劉秋實，班曉娜，胡鳳明，張曉華，徐永生，張紹哲，馬田麗，劉伏龍，路建新，陸澤，張海峰，李業軍，向益淮，王雷劍，梁晶，戴輝，王華，郭冰*，姜興東*，王乃彥*
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