拍瓦激光系統的原理分析及應用

李麗芳

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

關鍵詞：激光系統；原理分析；應用

1 前言

激光技術已經發展了50多年，這項技術的發展似乎已經到達極限，然而更先進的高能激光系統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，是目前世界上功率值最大的激光放大系統。拍瓦級激光主要是為實現快速核聚變點火而生。這種快速點火技術需要極高能量的激光（上萬太瓦級）打入等離子體冕區，由此催生了拍瓦級激光器。為了研發這種超強激光系統，科學家們耗費了近30年的時間和精力，隨著啁啾脈沖放大技術（CPA）的發明和基于啁啾脈沖放大技術的小型化臺式化超短超強激光系統的發展，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創造了重要的技術條件。

2 拍瓦激光系統的理論分析

拍瓦激光系統的研制成功得益于鈦寶石晶體和啁啾脈沖放大技術。鈦寶石是當今最優秀的可調諧激光晶體，調諧帶寬在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，將激光脈沖的信噪比提高到10-11量級，經CPA多通放大到數焦耳量級后，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，通過優化泵浦光和信號光的注入條件，獲得45.3J的放大輸出，轉換效率接近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，對應峰值功率為1PW。該結果表明基于LBO的OPCPA放大器能夠在800nm附近、大口徑、高通量下實現寬帶、高轉換效率的放大，為更高能級的拍瓦超強激光系統奠定了堅實的技術基礎。

啁啾脈沖放大技術是獲得高功率超強激光輸出的最重要技術，但在放大過程中存在一些不可避免的效應，如受到增益介質內的增益窄化、增益飽和、自相位調制以及色散等效應的影響，輸出脈沖的波形和頻譜產生畸變，嚴重影響脈沖的有效放大、壓縮及光束質量。而這種高信噪比CPA放大鏈和OPCPA終端放大器相結合的技術剛好將CPA的高穩定性、高轉換效率和OPCPA的無橫向寄生振蕩、無熱效應、B積分小等優點相結合，充分發揮了CPA和OPCPA兩種激光放大技術的優勢，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總體技術路線的可行性。

3 拍瓦激光系統的應用

拍瓦激光的應用十分廣泛，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域。拍瓦強激光束可使原子核產生反應以擊碎原子，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，產生γ射線，把金原子核的中子擊出，使金元素變為鉑之類的元素。因此拍瓦激光可應用于元素轉換，金屬轉換等原子分子物理中。另外，產生的γ射線可以驅動處于金后面的鈾層，使鈾核分裂為較輕的元素，這種效應與核反應一致，因此可以作為新能源應用在軍事武器中。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、導彈、衛星和人員等目標，可以使電磁系統徹底癱瘓，或者讓大型戰略目標在一定時間內失去控制，做到無差別、百分百的精確打擊。它超越了常規武器的限制，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將其運用到戰斗機和航母上，它將改變以往航母無力自衛的局面，更有可能淘汰航母群作戰模式，改為精英作戰。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、可以實現長時間持續作戰等特點，相比原子彈所付出的代價，具有絕對的戰略優勢。除此之外，拍瓦超強超短激光能在實驗室內創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、天體物理、核物理、高能物理、核醫學等領域也同樣具有重大應用價值。

4 小結與展望

中國不是最早研發拍瓦激光系統的國家，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，但是發展勢頭迅猛。我國對拍瓦激光系統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。目前，國際上多個國家也都提出了大型超強超短激光系統的研究計劃，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展路線，目標是200PW超強超短激光裝置，這將開啟拍瓦激光系統研究與應用的新時代。拍瓦激光系統已成為未來世界各大強國積極爭取的制高點，若研制成功，必將引發世界各國綜合實力的重新劃分。

參考文獻

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

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

（作者單位：廣東南方職業學院）