據(jù)悉，Lawrence Livermore國家實驗室數(shù)十年來在高能激光器開發(fā)方面的領導地位，正被利用為SLAC國家加速器實驗室線性相干光源(LCLS)的重大升級提供關鍵組件。

研究人員在SLAC的LCLS遠實驗大廳的“MEC艙”工作。MEC光學激光系統(tǒng)在材料中創(chuàng)造極端的溫度和壓力，LCLS x射線激光束捕捉材料的響應。來源：Matt Beardsley/SLAC.

在接下來的幾年里，LLNL的高級光子技術(APT)項目將設計和建造世界上最強大的千萬億瓦激光系統(tǒng)之一，安裝在LCLS升級的極端條件物質(MEC)實驗設施中。由能源部科學核聚變能源科學項目辦公室資助。

這種新型激光器將與LCLS x射線自由電子激光器(XFEL)結合，以促進對高能密度(HED)物理、等離子體物理、聚變能、激光-等離子體相互作用、天體物理學、行星科學和其他物理現(xiàn)象的理解。

現(xiàn)有的MEC設備使用光學激光與LCLS的x射線激光脈沖耦合，以探測極端溫度和壓力下物質的特性。MEC實驗已經(jīng)產生了突破性的科學成果，比如首次觀測到在天王星和海王星這樣巨大的冰凍行星深處存在的“鉆石雨”。

“Livermore和Rochester正在設計的新型高功率激光器在他們自己的領域是世界領先的?！眒ecu項目主管Alan Fry說，“將它們與LCLS結合將極大地提高它們的科學用途，這種結合將是一種前所未有的能力?！?/p>

LCLS XFEL末端的新mecu洞窟的概念設計。該設備將包括LLE的千焦耳(kJ)激光、LLNL的10赫茲額定petawatt/長脈沖激光系統(tǒng)、一個主目標室和一個主目標室下游的多用途二次交互場所。來源：Gilliss Dyer/SLAC.

“有了我們正在建造的10赫茲petawatt激光器，以及LLE的長脈沖壓縮激光器和升級的LCLS能力，LCLS和它的mecu設備將成為高重復率、激光驅動的HED實驗的美國旗艦?！必撠煾吣苊芏裙庾酉到y(tǒng)的NIF &光子科學項目主任Vincent Tang說。

Tang補充說:“將最新和最好的超快激光技術與MEC-U設施的LCLS光束線相結合，將為美國發(fā)現(xiàn)科學和國家安全研究提供一種全新的高通量HED能力。我們將能夠在極端壓力和溫度下快速提高我們對等離子體和材料的理解，同時提高我們以重復頻率和規(guī)模操作HED技術和系統(tǒng)的能力，這與未來的重要應用(如慣性聚變能)有關?！?/p>

美國國家核安全局(NNSA)表示有興趣與科學辦公室合作，以增加額外的高能長脈沖激光能力，以進一步支持NNSA基于科學的庫存管理計劃。目標之一是提高科學家預測下一代材料在極端環(huán)境下的性能的能力;慣性約束聚變的微物理研究并使研究比以前更大體積的高原子數(shù)材料成為可能。

L3-HAPLS激光系統(tǒng)，安裝在位于捷克共和國Dolní B?e?any的ELI光束研究中心。來源：Lawrence Livermore National Laboratory

HAPLS增壓

LLNL研究實驗室的項目經(jīng)理兼首席科學家TomSpinka表示，這將是一種簡化版的高重復率先進千兆瓦激光系統(tǒng)(HAPLS)，該系統(tǒng)由APT計劃在2014年至2018年期間設計和開發(fā)。HAPLS，世界上第一個全二極管泵浦的petaw激光器，現(xiàn)在是歐盟在捷克共和國的極端輕型基礎設施光束線設施的關鍵組成部分(見“先進激光承諾令人興奮的應用”)。

Spinka說:“RRL將在HAPLS開創(chuàng)性工作的基礎上建立。它將把NIF閃光燈泵浦摻釹玻璃Advanced Radiographic Capability中使用的直接啁啾脈沖放大技術與LLNL實驗室直接研發(fā)項目開發(fā)的HAPLS二極管泵浦玻璃泵激光技術結合在一起。

“這種架構最初被稱為可擴展高功率高級射線成像能力(SHARC)，消除了HAPLS激光系統(tǒng)的損耗第二階段(摻鈦藍寶石)，在相同的峰值功率和重復頻率下，最終提供的能量大約是HAPLS的5倍?！?/p>

LLNL的MEC-U設備的RRL將與eli - beam的HAPLS(現(xiàn)在稱為L3-HAPLS)激光器的性能提升到其完整的設計規(guī)格并行開發(fā)。它還將利用APT正在開發(fā)的其他先進激光技術，包括一種新的高能法拉第旋轉器，該旋轉器是根據(jù)與Electro-Optics technologies Inc.的合作研發(fā)協(xié)議開發(fā)的。

將安裝在MEC-U工廠的LLNL拍瓦激光器的設計效圖。來源：Lawrence Livermore National Laboratory

啟用新物理學

“MEC-U是NIF&PS開發(fā)下一代高平均功率超快激光器和實現(xiàn)高重復率HED科學戰(zhàn)略的核心部分.”Tang說,“MEC-U能夠實現(xiàn)的新物理范圍廣泛，高度適用于LLNL任務。對LLNL和社區(qū)來說，這是一個令人興奮的機會?！?/p>

“不僅是我們處理一些世界領先的激光實驗室?！?Fry說,“但我們也與世界實驗科學的專家合作,高能量密度的科學,和美國能源部科學辦公室用戶的操作設備,來自世界各地的科學家可以來做實驗?！?/p>

LaserNetUS是一個研究網(wǎng)絡，它正在促進全國各地的實驗室和大學使用高強度激光設備。

MEC-U于去年秋天獲得美國能源部科學辦公室的批準，從概念設計階段進入初步設計，預計將在大約兩年內開始施工。

APT RRL團隊由Tang擔任高級團隊負責人;Spinka擔任項目經(jīng)理和首席科學家;RobertPlummer擔任項目工程師;Brendan Reagan為激光建筑師。

來源：LawrenceLivermore National Laboratory