美國科學院報告建議加強高強度超快激光器研究

近日，美國國家科學院發布《高強度超快激光器的機遇：實現最亮的光》報告。報告指出，美國已經給歐洲讓出了高強度超快激光器研究的領導地位。報告建議，能源部至少投資一個新的大型設施，並牽頭制定協調一致的國家研究戰略。

激光已經變革了科學和社會的許多領域，實現了數萬億美元的商業。現在，拍瓦級激光器（1拍瓦等於1000萬億瓦）正在推動著第二次激光革命的到來。拍瓦級激光器廣泛用於物理、化學、醫學、製造業和國家安全等領域，將帶來價值數十億美元的激光產業和依賴它的價值數萬億美元的經濟。因此，美國海軍研究辦公室（ONR）、空軍科學研究辦公室（AFOSR）、能源部科學辦公室（DOE-SC）和國家核安全局（NNSA）委託國家科學院對高強度超快激光器的機遇進行評估。

報告指出，美國在該領域已失去了以前的統治地位。20世紀90年代，美國是高強度激光技術的領先創新者和主導用戶，但現在，歐洲和亞洲已通過協同的國家研究和地區研究及基礎設施項目，成為這一領域的主導者。目前，80％-90％的高強度激光系統在美國之外的國家，目前正在建設或已建成的最高功率的研究型激光器都在美國之外的國家。

報告總結了未來高強度超快激光器源系統的發展方向。包括：

1

更高峰值功率的10拍瓦級激光器在規劃層面將計劃使用光參量啁啾脈衝放大（OPCPAs）。

2

許多較高峰值功率的系統將繼續使用閃光燈泵浦的釹：玻璃。

3

高重頻先進拍瓦激光器系統（HAPLS）可用作勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）正在建設的鈦寶石激光器的泵浦，並可在1拍瓦級別、10赫茲的脈衝頻率、300瓦的平均功率下工作。

4

許多在建系統都使用寬頻參量放大器和交叉極化波（XPW）等脈衝對比度增強技術來以產生高水平的脈衝收縮比。

5

正在開發的兩個系統將從二極體泵浦摻鐿介質直接產生近拍瓦的峰值功率脈衝。

6

其他使用摻鐿材料的工作將旨在獲得納秒級持續時間的脈衝，以作為OPCPAs的泵浦。

7

國際相干放大網路（ICAN）能實現的各種參數將比目前的光纖激光器技術高出許多個數量級，但對大量光纖的定相控制以及獲得高脈衝對比度比率等問題仍然是遠遠超出當前或不久將來的技術的重大挑戰。

8

自由電子激光器現在原則上可以達到與拍瓦級激光器相同的強度水平，但是在將來可能達到更高的強度。

報告建議研究發起人和他們所代表的美國資助機構應採取具體行動，以促進和加強美國參與高強度激光研究。

1

能源部應與白宮科技政策辦公室、國防部、國家科學基金會和其他聯邦政府部門的研究部門合作，建立包括大學、產業和政府實驗室在內的廣泛的國家網路研究機構，作為支持高強度超快激光的科學、應用和技術的國家戰略的基石。

2

研究機構應該邀請網路內的科學利益相關者來確定對研究需求最有用的設施和激光參數，重點關注峰值功率、重複頻率、脈衝持續時間、波長和可調焦強度等參數。

3

能源部應牽頭制定一個全面、跨部門的高強度激光器國家戰略，包括開發和運行大型實驗室項目的計劃，中等規模項目，以及可在大學、產業和國家實驗室之間技術轉讓的技術開發計劃。

4

能源部應至少規劃一個大規模開放式高強度激光設施，從而把能源部其他重要科學基礎設施利用起來。

5

各機構應為美國科學家和工程師制定計劃，包括中等規模基礎設施，高強度激光科學的項目運作，關鍵基礎技術的開發，以及參與極端光基礎設施（ELI）等國際設施的研究。

（作者黃龍光單位：中國科學院科技戰略諮詢研究院）

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