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俄亥俄州立大学SCARLET激光器峰值功率500TW、脉宽30fs |
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| http://cn.newmaker.com
8/1/2012 4:10:00 PM
佳工机电网
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 据美国俄亥俄州立大学高能密度物理组（HEDP）激光及工程靶先进研究科学中心（SCARLET）激光装置拍瓦开发小组的高级研究员兼项目领导Enam Chowdhury介绍：“SCARLET激光器于2012年6月13日开始运行，它是世界上能量最高的激光器之一，也是美国市场上峰值功率最高的亚百飞秒激光器。”Chowdhury表示，中心波长为815 nm的SCARLET激光器，设计输出500TW的峰值功率，聚焦峰值光强达1021W/cm2，脉宽30fs，脉冲能量达15J，聚焦后的光斑尺寸为5μm（半高全宽值），重复频率为每分钟一发。该研究小组还计划于明年在该激光器中加入变形镜，进而使其输出的峰值强度提升到1022W/cm2以上。
该激光器获得的参数已经足够引人注目，而其重复频率更是值得关注。Chowdhury称：“现有超高强度激光系统通常受限于较低的重复频率。通常，大规模激光系统每天最多能发射若干发激光。”
HEDP实验室项目领导Richard Freeman教授补充道：“SCARLET的主要目的是用于每天需要几百发稳定激光的实验，这将使我们的HEDP小组更加精确地模拟高能密度系统，并且真正理解超强光与物质相互作用中的物理现象。”
SCARLET激光参数
尽管SCARLET激光器的最大峰值功率设计为500TW，但人们将它称为0.5PW或拍瓦级激光器。它有两种工作模式，包括波长调谐范围0.8~4.0μm的短脉冲千赫兹（0.1~0.8mJ，1kHz，25fs），主要用于激光损伤研究。
将千赫兹级的激光输出通过额外的镜条光栅展宽器（将脉冲展宽至800ps）、双啁啾脉冲放大（DCPA）装置以及各种脉冲质量改善装置（包括垂直偏振波产生系统）后，SCARLET激光器的功率达到最大值。脉冲还通过大量钛蓝宝石多通放大器，最后一级放大器用两个波长527nm、单脉冲能量25J的钕激光器泵浦。新型压缩器包括一对26cm长和56cm长的衍射光栅。整套激光系统在1000级超净间内运转，并配有入口空气吹淋室以及联网的温度湿度传感器。
随后，SCARLET激光器的输出在真空状态下打入1200平方英尺的靶室。在靶室中，激光首先在10.5英尺长、直径6英尺的圆柱形真空室内被压缩，然后在直径3英尺7英寸、高3英尺6英寸的35端口室内，入射到最终的f/2离轴聚焦抛物镜。
除了具备八大激光诊断装置外（包括发射焦斑诊断以及空间啁啾诊断），SCARLET系统中还具有X射线二极管、预等离子体阴影仪、Schlieren成像、伽玛射线以及中子谱仪、汤姆逊抛物面反射器离子分析仪、干涉仪、高定向热解石墨X射线光谱仪、X射线真空相机和K-alpha弯曲晶体成像光谱仪诊断设备。所有这些设备通过48核六节点电脑组控制，每个节点包含130Gbyte内存，数据存储阵列采用10Tbyte独立磁盘冗余阵列（RAID）。
预期实验
SCARLET主要涉及的研究领域在于超高强度、超短脉冲激光与固态靶之间的相互作用。SCARLET研究小组的高级研究科学家Kramer Akli表示：“太阳光照射到地球表面的光强约为0.1W/cm2，SCARLET的光强比该值高22~23个数量级，因此使得我们可以在实验室环境中研究类似恒星条件下的光与物质之间的相互作用。”
快点火核聚变是该研究的一个预期领域。美国的国家点火装置（NIF）需要192束激光（每束能量为5kJ、脉宽若干纳秒）同时聚焦到几毫米大的靶上。与之相比，快点火聚变需要50kJ、20ps的脉冲与靶相互作用，其制造精度要求可以适当放宽，并且可以使用价格相对便宜、易于安装的核聚变能源。通过分析粒子以及能量在热密物质中的传输，SCARLET激光器有助于理解激光脉冲如何能够以最佳方法点燃激光核聚变靶。
除了用于激光驱动的X射线技术以及中子/伽玛射线光源等实验外，SCARLET激光器还将用于产生高能质子，用于研究质子快点火、用于材料诊断的质子照相，以及用于治疗癌症的质子疗法（一种放射疗法）。
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