走近歐洲超強激光裝置：ELI系列（2）
圖1. Eli-NP外景
一、ELI-NP是什么？
Eli-NP可以認為是Eli系統(tǒng)的三個重要組成部分之一，歐盟計劃將Eli-NP建設成為世界上在光核物理研究及應用領域最先進的研究設施。該設施建成后將包含兩部分，第一部分為兩路峰值功率高達10 PW的超短脈沖激光器，能夠實現(xiàn)高達1023-1024 W/cm2的激光峰值功率密度，可提供2x1015 V/m電場強度的極端物理條件。第二部分為一條目前世界上亮度最高（1013光子數(shù)/秒），準單能（0.1%帶寬）伽馬射線源，伽馬光子能量可達19.5 MeV。該伽馬射線源基于非相干康普頓背向散射原理，由超強激光和一束傳統(tǒng)線性加速器產生的720MeV高能電子對向碰撞產生。
目前國際上勞倫斯利弗莫爾實驗在此類伽馬射線源的研究上處于領先地位， 相信ELI-NP應該也會和他們緊密合作，此外，國內清華大學工程物理系也在這個方向上取得了不少突破。Eli-NP將依靠超強激光和超亮伽馬射線源這兩樣工具解決基礎物理、核物理以及天體物理領域的前沿問題，同時也將研究關于材料科學和生命科學的相關課題。Eli-NP已經(jīng)被歐洲核科學領域最重要的學術委員會——NuPECC列為“歐洲核科學遠期發(fā)展計劃”的核心裝置。
二、Eli-NP在哪兒？
Eli-NP定址在東南歐的羅馬尼亞，規(guī)劃占地約33,000m2，具體位置位于距羅馬尼亞首都布加勒斯特市中心僅12公里的Magurele鎮(zhèn)，此處在建立ELI-NP之前已經(jīng)是羅馬尼亞重要的科學研究中心，設有五個國家級研發(fā)機構，主要涉及核科學、激光技術、等離子與空間科學、材料物理、光電子學等，一所物理學院和兩家專業(yè)工程公司（光電子學與核設施設計）。
圖2. Eli-NP的位置
三、Eli-NP的目標
Eli目前匯集了來自世界上30多個國家，100多位高能激光和核科學領域的科學家們?yōu)镋li-NP制定了比較詳細的實驗規(guī)劃，目前擬定的研究課題如下：
1. 利用核物理研究方法研究超高功率激光與物質的相互作用，以獲取通過激光獲得高質量的質子和重離子的加速束的方法和可能性。
2. 激光束的極高強度將允許對一些基本物理現(xiàn)象的預期理論進行實驗研究，如在強電場下的真空雙折射和電子偶產生。
3. 利用光致核反應的方法研究和剖析核結構和研究天體物理學問題。
4. 研究核材料鑒定和遠程特性辨識新方法，該研究將應用于國土安全領域諸如遠程自動運輸集裝箱掃描和核材料管理等。
5. 研究產生新的放射性同位素，以及提高生產目前應用于藥物合成的放射性同位素產能的新方法。
6. 同時利用高強度的γ射線和激光束研究真空下的電子偶產生問題。
四、PW Laser技術方案的誕生
ELI-NP在2011年開始設計10PW激光技術方案時，以增益介質作為區(qū)分有三種解決方案。第一種方案是以鈦寶石作為增益介質，以倍頻的Nd: Glass激光作為泵浦源，國內的典型代表系統(tǒng)為中國科學院物理研究所極光III號1.16PW超強激光系統(tǒng)。這種方案的優(yōu)勢在于，鈦寶石可以提供相當寬的頻譜，即使在放大過程中存在增益窄化，采用成熟的技術手段最終輸出脈沖寬度仍能夠壓縮至30fs以下。但是該方案實現(xiàn)更高能量輸出的阻礙主要來自于增益介質尺寸的限制，獲得高質量，摻雜均勻的大口徑鈦寶石晶體是提高放大極限的關鍵，但同時也是非常困難的一件事。
圖3. ELI-NP激光系統(tǒng)中的鈦寶石晶體，直徑：200mm
第二種方案以DKDP作為增益介質，采取OPCPA的放大結構，好處在于DKDP晶體可以長得很大，口徑限制問題幾乎是不存在的，但這種方案的問題在于對泵浦激光的脈寬和能量都有很高的要求（受OPA過程效率的限制），典型的代表激光系統(tǒng)為我國上海光機所的10PW超強激光裝置。
第三種方案以Nd: Glass作為增益介質，采取OPCPA的放大結構，這樣泵浦激光的能量可以更高（無需倍頻）。但這種方案受到Nd: Glass的增益帶寬所限，這種方案的最終輸出脈沖寬度一般都在百fs量級，代表系統(tǒng)為英國的VULCAN laser系統(tǒng)（1PW）。
圖4. 獲得PW脈沖的三種方案優(yōu)劣比較，“+”號代表優(yōu)勢，-“”號代表劣勢
設計方綜合考慮了三種方案的優(yōu)劣后認為第一種方案，也就是基于鈦寶石的CPA方案最有可能在接下來的5年時間里實現(xiàn)10PW的脈沖輸出，
同時為了獲得高對比度輸出，該方案在前級采用的是非共線OPCPA和XPW結合的脈沖凈化方式，后級放大選擇的是傳統(tǒng)的鈦寶石放大器結構。與此同時第三種方案，也就是基于Nd: Glass的OPCPA方案作為后備方案，同期進行設計和考量。Eli-NP的這兩套10PW系統(tǒng)的設計和建設工作由法國Thales公司負責（技術扶貧、發(fā)達國家得利的又一例證! ），下圖為Eli-NP的最終設計方案（詳細設計參考ELI-NP白皮書）。
圖5. Eli-NP的10PW技術方案圖（目前網(wǎng)絡上只能找到這個清晰度）
從圖中可以看到，Eli-NP同時設有兩個寬帶高對比度前級：寬帶鈦寶石種子光經(jīng)展寬后放大至100mJ，同時保持支持15fs的帶寬，對比度達到1012。這是因為考慮到OPCPA的復雜性，單個前級的準直和維護時間會很長，設置兩個前級作為備份可以保證系統(tǒng)的長時間運行，延長可用機時。高對比度種子脈沖進一步放大至焦耳（10Hz）至幾十焦耳量級（0.1/0.05Hz）。中間放大級提供獨立的輸出和壓縮，應用于能量不需要特別高，但需要一定重復頻率的實驗。最后一步放大至200J，重頻預計下降至幾分鐘一發(fā)，可用于獨立的高能物理實驗，或是協(xié)同伽馬射線源工作。
圖6. 以色列大使參觀Eli-NP
從2017年12月的的參觀照片來看，PW系統(tǒng)的整體架構應該已經(jīng)完成，雖然暫時還沒有報道出光的消息。而轉眼已經(jīng)到2018年了，這套系統(tǒng)目前看來還沒有完全建成，而中國科學院上海光機所已經(jīng)率先實現(xiàn)了10PW超短脈沖輸出的世界紀錄，不由的贊嘆一下中國速度！
限于篇幅，Eli-NP的伽馬射線源這里暫時賣個關子，
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【參考文獻】
http://www.eli-np.ro/documents/ELI-NP-WhiteBook.pdf
http://www.eli-np.ro/
