拍瓦激光系統(tǒng)的原理分析及應(yīng)用

李麗芳

摘 要：拍瓦激光系統(tǒng)在粒子加速、軍事武器和激光聚變等領(lǐng)域都有著重要的研究價值，本文從拍瓦激光的產(chǎn)生背景出發(fā)，分析了拍瓦激光系統(tǒng)獲得高功率超強激光輸出的原理，并從元素轉(zhuǎn)換、核裂變、激光武器等方面介紹了拍瓦激光系統(tǒng)的應(yīng)用，指出拍瓦激光系統(tǒng)的發(fā)展在未來有著舉足輕重的地位。

關(guān)鍵詞：激光系統(tǒng)；原理分析；應(yīng)用

1 前言

激光技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了50多年，這項技術(shù)的發(fā)展似乎已經(jīng)到達極限，然而更先進的高能激光系統(tǒng)為其開啟了新的篇章。中科院最近宣布成功研制出的5PW（1PW=1015W=1千萬億W）超強激光放大系統(tǒng)，是目前世界上功率值最大的激光放大系統(tǒng)。拍瓦級激光主要是為實現(xiàn)快速核聚變點火而生。這種快速點火技術(shù)需要極高能量的激光（上萬太瓦級）打入等離子體冕區(qū)，由此催生了拍瓦級激光器。為了研發(fā)這種超強激光系統(tǒng)，科學(xué)家們耗費了近30年的時間和精力，隨著啁啾脈沖放大技術(shù)（CPA）的發(fā)明和基于啁啾脈沖放大技術(shù)的小型化臺式化超短超強激光系統(tǒng)的發(fā)展，使得激光脈沖峰值功率從太瓦（TW）向拍瓦（PW）推進，給拍瓦級乃至更高級別的激光系統(tǒng)創(chuàng)造了重要的技術(shù)條件。

2 拍瓦激光系統(tǒng)的理論分析

拍瓦激光系統(tǒng)的研制成功得益于鈦寶石晶體和啁啾脈沖放大技術(shù)。鈦寶石是當(dāng)今最優(yōu)秀的可調(diào)諧激光晶體，調(diào)諧帶寬在660～1100nm，吸收帶位于400～600nm，峰值吸收在490nm附近，激光躍遷的上能級壽命為3 ?s。這種激光系統(tǒng)是一種CPA/OPCPA混合放大器，主要包括基于鈦寶石晶體的800nm波段寬帶高信噪比CPA放大鏈、基于三硼酸鋰（LBO）晶體的光參量啁啾脈沖（OPCPA）終端放大器和激光脈沖壓縮器等幾個模塊。CPA前端采用交叉偏振波（XPW）脈沖凈化技術(shù)，將激光脈沖的信噪比提高到10-11量級，經(jīng)CPA多通放大到數(shù)焦耳量級后，注入到終端OPCPA放大器中；采用口徑為100mm×100mm的LBO晶體和非共線相位匹配模式，在脈沖能量為169J的時空近平頂分布的釹玻璃倍頻激光泵浦下，通過優(yōu)化泵浦光和信號光的注入條件，獲得45.3J的放大輸出，轉(zhuǎn)換效率接近27%，放大光譜全寬約80nm，壓縮脈寬為32fs，壓縮后單脈沖能量為32.6J，對應(yīng)峰值功率為1PW。該結(jié)果表明基于LBO的OPCPA放大器能夠在800nm附近、大口徑、高通量下實現(xiàn)寬帶、高轉(zhuǎn)換效率的放大，為更高能級的拍瓦超強激光系統(tǒng)奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

啁啾脈沖放大技術(shù)是獲得高功率超強激光輸出的最重要技術(shù)，但在放大過程中存在一些不可避免的效應(yīng)，如受到增益介質(zhì)內(nèi)的增益窄化、增益飽和、自相位調(diào)制以及色散等效應(yīng)的影響，輸出脈沖的波形和頻譜產(chǎn)生畸變，嚴(yán)重影響脈沖的有效放大、壓縮及光束質(zhì)量。而這種高信噪比CPA放大鏈和OPCPA終端放大器相結(jié)合的技術(shù)剛好將CPA的高穩(wěn)定性、高轉(zhuǎn)換效率和OPCPA的無橫向寄生振蕩、無熱效應(yīng)、B積分小等優(yōu)點相結(jié)合，充分發(fā)揮了CPA和OPCPA兩種激光放大技術(shù)的優(yōu)勢，充分驗證了CPA/OPCPA混合放大器作為5PW，10PW甚至更高級超強激光系統(tǒng)總體技術(shù)路線的可行性。

3 拍瓦激光系統(tǒng)的應(yīng)用

拍瓦激光的應(yīng)用十分廣泛，可以用于粒子加速、生物物理、量子物理、國家安全和激光聚變等領(lǐng)域。拍瓦強激光束可使原子核產(chǎn)生反應(yīng)以擊碎原子，由激光加速的電子以接近光的運動速度與金箔靶的原子核碰撞，產(chǎn)生γ射線，把金原子核的中子擊出，使金元素變?yōu)殂K之類的元素。因此拍瓦激光可應(yīng)用于元素轉(zhuǎn)換，金屬轉(zhuǎn)換等原子分子物理中。另外，產(chǎn)生的γ射線可以驅(qū)動處于金后面的鈾層，使鈾核分裂為較輕的元素，這種效應(yīng)與核反應(yīng)一致，因此可以作為新能源應(yīng)用在軍事武器中。這種拍瓦激光武器在軍事中的地位不言而喻，它通過利用高亮度強激光束攜帶的巨大能量摧毀或殺傷敵方飛機、導(dǎo)彈、衛(wèi)星和人員等目標(biāo)，可以使電磁系統(tǒng)徹底癱瘓，或者讓大型戰(zhàn)略目標(biāo)在一定時間內(nèi)失去控制，做到無差別、百分百的精確打擊。它超越了常規(guī)武器的限制，確切地說，是一種定向武器但可以做到靈活多變。目前美國等一些國家已經(jīng)將其運用到戰(zhàn)斗機和航母上，它將改變以往航母無力自衛(wèi)的局面，更有可能淘汰航母群作戰(zhàn)模式，改為精英作戰(zhàn)。我國也將大力投入拍瓦激光武器，因為這種新概念武器具有精度高、速度快、效率高、打擊范圍廣、限制因素少、電磁干擾小、可以實現(xiàn)長時間持續(xù)作戰(zhàn)等特點，相比原子彈所付出的代價，具有絕對的戰(zhàn)略優(yōu)勢。除此之外，拍瓦超強超短激光能在實驗室內(nèi)創(chuàng)造出前所未有的超強電磁場、超高能量密度和超快時間尺度等綜合性極端物理條件，在激光加速、激光聚變、阿秒科學(xué)、天體物理、核物理、高能物理、核醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域也同樣具有重大應(yīng)用價值。

4 小結(jié)與展望

中國不是最早研發(fā)拍瓦激光系統(tǒng)的國家，美國、俄羅斯、德國等國家在很早以前就開始了這方面的研究。中國雖然起步較晚，但是發(fā)展勢頭迅猛。我國對拍瓦激光系統(tǒng)的研制遠遠不止停留在這5PW上，做這些都是為了下一步的10PW（1億億W）超強超短激光系統(tǒng)做鋪墊。上海光機所強場激光物理國家重點實驗室正在研制10PW級超強超短激光系統(tǒng)。目前，國際上多個國家也都提出了大型超強超短激光系統(tǒng)的研究計劃，英國和法國正在開展10PW超強超短激光裝置的研制工作，并計劃于2017年建成10PW超強超短激光用戶裝置；美、俄、日本、歐盟的ELI計劃等也紛紛提出了各自的發(fā)展路線，目標(biāo)是200PW超強超短激光裝置，這將開啟拍瓦激光系統(tǒng)研究與應(yīng)用的新時代。拍瓦激光系統(tǒng)已成為未來世界各大強國積極爭取的制高點，若研制成功，必將引發(fā)世界各國綜合實力的重新劃分。

參考文獻

[1]李曉莉.光學(xué)參量啁啾脈沖放大技術(shù)的研究[D].西安電子科技大學(xué)，2010.

[2]高艷霞，趙改清.用于高能拍瓦激光系統(tǒng)前端的周期極化LiNbO3光參量放大[J].中國激光，2007，34（8）：1092-1095.

（作者單位：廣東南方職業(yè)學(xué)院）