激光聚变驱动器的光束相干性及其控制:回顾与展望

高功率强激光与物质相互作用蕴藏着丰富的非线性效应,激光聚变驱动器的光束具有高度相干性,它在光束传输过程中极大地凸显了这种效应,并不可避免地制约着激光功率的提升和激光能量的有效利用。回顾激光聚变驱动器的发展史,在提升激光输出能力的主线外,还存在一条与光束相干性做斗争的暗线贯穿其中。以激光与物质相互作用为牵引,从高功率强激光传输中非线性效应抑制和激光等离子体相互作用的抑制两方面回顾了激光聚变驱动器光束相干性的控制现状,并针对潜在需求,展望了未来高功率激光发展的创新技术。     

亚皮秒太瓦脉冲激光与物质相互作用研究进展

当前亚皮称太瓦超短冲激光技术的发展为激光与物质相互作用领域提供了许劝人心的研究机会，从激光与单个原子的相互作用到激光等离子体中的集体效应，如原子的高度离化、Ｘ射线激光、等离子体波导，等离子体粒子加速器，快速点火方案等等，文章评述了最近几年这方面的研究进展。     

超强激光驱动的辐射反作用力效应与极化粒子加速

光强超过10~(22) W/cm~2的极端超强激光将光与物质的相互作用推进到辐射主导区域,激发高能伽马光子辐射,产生明显的辐射反作用力效应.辐射反作用力可以显著影响强场中带电粒子的动力学行为,并从根本上改变了极端强场区域的激光等离子体相互作用规律.如何理解和验证辐射反作用力效应是强场物理研究的核心内容之一.本文结合该方向的国内外研究进展,论述了辐射反作用力的经典形式与强场量子电动力学的理论计算与模拟方法,详细讨论了单粒子在强场中的反射、量子随机辐射、自旋-辐射耦合等效应,介绍了激光等离子体相互作用中的电子冷却、辐射俘获、高效伽马辐射等机制,并给出了目前辐射反作用力效应的实验验证方法与进展.针对自旋在强场量子电动力学方面的效应,介绍了激光加速产生极化粒子源的方法.     

激光与物质相互作用国家重点实验室简介

激光与物质相互作用国家重点实验室依托于西北核技术研究所(陕西西安)和中国科学院长春光学精密机械与物理研究所(吉林长春),主要面向信息、材料、能源等重要学科领域,开展激光与物质相互作用的基础研究和应用基础研究。主要研究方向:激光辐照效应与机理研究高功率激光等离子体物理研究燃烧流场激光诊断技术研究高功率重频气体激光技术研究     

激光等离子体特征参量和辐射耦合效应研究

采用一维单流体双温度辐射流体力学模型，在激光产生的等离子体做等温膨胀的假定下，研究了脉冲强激光辐照固态靶材时，计及再辐射后汽化等离子体特征参量与靶材物质和激光参数之间的定标关系，计算了等离子体再辐射对激光－靶材耦合效应的影响。     

强激光等离子体相互作用驱动高次谐波与阿秒辐射研究进展

对超快过程的探测和控制决定了人类在微观层面认识和改造物质世界的能力.阿秒光源可完成对组成物质的电子运动及其关联效应进行超高时空分辨的探测和操控,为人类认识微观世界提供了全新手段,被认为是激光科学史上最重要的里程碑之一.世界主要科技强国都将阿秒科学列为未来10年重要的科技发展方向.利用强激光与物质相互作用产生高次谐波是突破飞秒极限实现高亮度阿秒脉冲辐射的重要方案之一,成为了近年来激光等离子体领域的研究热点.本文聚焦强激光与等离子体相互作用中的高次谐波和阿秒脉冲辐射,主要介绍其产生机制、研究进展和前沿应用,并对未来的发展趋势和创新突破进行展望.     

极强激光场驱动超亮伽马辐射和正负电子对产生的研究进展

高功率超短超强激光脉冲的诞生开启了相对论非线性光学、高强场物理、新型激光聚变、实验室天体物理等前沿领域.近年来,随着数拍瓦级乃至更高峰值功率激光装置的建成,超强激光与等离子体相互作用进入到一个全新的高强场范畴.这种极强激光场与等离子体相互作用蕴含着丰富的物理过程,除了经典的波与粒子作用、相对论效应、有质动力效应等非线性物理过程外,量子电动力学(QED)效应变得格外重要,例如辐射阻尼效应、正负电子对产生、强伽马射线辐射、QED级联、真空极化等.本文主要介绍我们近年来在极端强激光场与等离子体相互作用中激发的QED效应以及伴随的超亮强伽马射线辐射和稠密正负电子对产生等方面的研究进展.     

超短超强激光等离子体物理专题编者按

强激光等离子体物理是随着激光技术的发展而快速兴起的一门交叉学科,主要研究强激光与物质相互作用形成的等离子体结构、演化及应用.其研究内容从早期纳秒激光与等离子体作用相关的惯性约束聚变物理,到近年来飞秒激光与等离子体作用的新型加速器和辐射源物理,再到当前和未来以数十至百拍瓦激光等离子体作用的量子电动力学(QED)等离子体物理,逐步得到拓展和深入.     

超快激光的光电应用

超快激光一般是指脉冲宽度短于10ps的脉冲激光,主要指短皮秒和飞秒(10-15s)激光。这个时间尺度短于激发态电子向晶格弛豫能量的所需时长,使光与物质相互作用呈现了与通常光激发显著不同的特性,也促成了其崭新的光电应用。围绕飞秒激光与物质相互作用快(作用时间短)、强(瞬态功率高)、精(非线性使作用区体积小,用作加工分辨率高)的特点,开展了系列研究,包括飞秒激光超快光谱用于光/电-电/光转换动力学探索,激光诱导气体成丝用于近程遥感探测,及飞秒激光微纳加工用于新原理、新材料微纳集成器件的制备。介绍了相关研究的进展。     

超强激光场与物质的相互作用

评述了超高强度激光与物质相互作用的理论和实验结果，描述了在高密度和低密度气体下产生的非线性现象。指出了在高功率激光下，透明介质靶和固体靶的不同。最后陈述了超短波激光与物质相互作用的核物理应用，例如激光诱导核反应和非线性量子电动力学效应。     

基于激光等离子体加速的自由电子激光研究新进展

激光等离子体加速器能够在cm尺度内产生GeV量级的高品质电子束,为研制台式化自由电子激光提供驱动源。但是受限于激光等离子体加速中的难点和现有技术发展,电子束的品质难以达到自由电子激光的需求,尤其在稳定性、发散角和能散等方面,阻碍了台式化自由电子激光的研制。介绍了基于激光等离子体加速器的自由电子激光的最新进展,整理了目前高增益自由电子激光实验过程中存在的主要挑战和对应的解决方案与实验进展,并展望未来的发展方向。最近的研究结果证明,通过控制和优化激光等离子体加速器的注入和加速过程产生的高品质电子束可以在指数增益区域实现自发辐射放大,产生高增益的辐射,这也推动基于激光等离子体加速器的自由电子激光研究进入了一个新的阶段。     

基于光纤中超短脉冲非线性传输机理与特定光谱选择技术的多波长飞秒激光的产生

高集成、高可靠性宽调谐飞秒激光源在超快光谱学、量子光学及生物成像等研究与应用领域具有重要价值.如在生物多光子显微成像中,具有适中能量的宽调谐飞秒激光源不仅可满足多种生物组织荧光激发所需的峰值功率与激发波长,而且也可以显著提升非线性荧光产生效率、成像分辨率以及增大成像穿透深度.采用自主研发的高可靠性全保偏光纤飞秒激光器作为抽运源,基于低色散光纤中高峰值功率飞秒激光脉冲非线性传输引起的光谱加宽机制,本文开展了多波长全光纤飞秒激光产生技术研究.通过采用中心波长在980, 1000,1050, 1070与1100 nm的带通滤波片选择性地对单模光纤输出光谱中最左边与最右边光谱旁瓣进行滤波,在上述中心波长处分别可获得203, 195, 196, 187与194 fs的激光输出.本文提出的基于全光纤飞秒激光脉冲在单模光纤中非线性传输引起的光谱加宽机制与特定光谱选择技术的实验方案为高集成、高可靠性宽调谐飞秒激光源的实现提供了新的研究途径.     

吸气式激光推进中激光能量沉积过程的数值模拟

 结合辐射输运方程,在流体力学方程组的能量方程中加入包括空气吸收的激光能量以及高温气体向周围辐射损失的能量源项,转化为辐射流体力学方程组,建立了用于模拟吸气式激光推进中能量沉积过程的物理力学模型和计算方法。该辐射流体力学计算程序可以很好地模拟激光能量沉积过程中空气对激光能量的吸收、等离子体对激光的屏蔽作用以及激光维持的爆轰波的传播规律,计算得到激光能量的沉积效率约为57%,激光维持的爆轰波的传播速度与同等条件下的理论和实验结果吻合得较好。     

激光陀螺滤波评估方法研究

在现有硬件的基础上,通过滤波等软件算法来提高激光陀螺捷联惯导系统对准和导航精度是目前国内外学者所公认的。为了对激光陀螺滤波前后的效果进行准确、定量的评估,设计了Allan方差分析算法,开发了对准-导航及精度分析评估软件,分别从元件级、系统级对其展开了研究,并结合具体激光陀螺捷联惯导设备对其进行了实验验证。     

激光参数对红外成像系统干扰效果影响的实验研究

 针对激光对红外成像系统的干扰效果是光电对抗领域的一个研究热点,采用波长10.6 μm的CO2调谐脉冲激光器,通过漫反射板反射激光能量到像元数为320×240的多晶硅非制冷焦平面红外热像仪上进行激光干扰红外成像系统的实验。在实验中研究了干扰激光能量、重复频率、波长、光斑大小等激光参数对干扰效果的影响,并从图像质量的角度分析了激光参数对干扰效果的影响。结果表明,随着干扰激光能量密度、重复频率、波长和光斑的增大,干扰效果提高。此外,漫反射干扰的效果证明这种干扰方式是可行的,该方式可避免干扰源成为未来将出现的反辐射光电制导武器的诱饵,为CO2激光干扰装备提供一种新的战术配置方法。     

Interaction of intense laser radiation with weak electromagnetic waves in an evacuated section of a ring laser

A laboratory experiment for the study of nonlinear interaction of electromagnetic waves in vacuum is proposed. The basic idea of the experiment is as follows. If one separates a certain region of the circuit in a ring laser from the remaining part with gas-impenetrable partitions, evacuates it, and forms external electromagnetic fields there, the oscillation frequencies and the polarization states of the electromagnetic waves traveling in this ring laser in counter directions are different. A calculation is made for the oscillation frequencies of electromagnetic waves traveling in a ring laser in opposite directions in the case when they interact in an evacuated section of the ring laser circuit with intense laser radiation. It is shown that the effect can be observed in experiments using presently available pulsed lasers of ultrahigh power.     

端面泵浦掺Yb3+双包层光纤激光器

从双包层光纤激光器的速率方程出发，得到了光纤中泵浦光与激光的功率分布、输出功率与泵浦功率的关系、腔镜反射率及光纤长度对输出功率的影响。研究结果表明：输出激光功率与光纤长度及后腔镜反射率有很强的依赖关系，存在一个输出功率最大的最佳光纤长度。后腔镜反射率越大，输出激光功率越小；当光纤长度较短时，在输出端放置反射镜使泵浦光高反射，可以提高输出功率和效率。通过对端面泵浦掺Yb3+双包层光纤激光器进行理论分析和实验研究，得到输出激光的中心波长为1088.3nm，斜率效率为33.7%，最大输出功率为1.75W。     

激光预警与电视跟踪演示实验装置

介绍了一种激光预警与电视跟踪演示实验装置,较详细地叙述了其主要部分－－PIN报警、CCD成像型激光报警和电视跟踪的原理及电路设计,为激光制导武器与对抗和电视制导等课程提供了真实形象的演示效果。     

用He-Ne激光声光器件进行声光幅度调制和声光偏转实验

描述了用He－Ne激光声的声光器件进行的声光调制和声光偏转实验。调制曲线上有一个拐点，在拐点附近的一段曲线可看成直线，利用这段曲线进行调制可减少失真。     

二极管激光器阵列封装工艺对smile效应影响因素分析

Smile效应是限制二极管激光器阵列应用的一个重要因素。研究了激光器封装工艺对smile效应的影响,研究结果表明,造成smile效应的因素主要有两个:一是焊接过程中芯片的焊接压力不均匀;二是芯片与热沉的热膨胀系数不匹配。使用低膨胀系数的压条可以改善焊接过程中芯片压力的均匀性,而增大焊料凝固过程中的降温速率可以降低芯片与热沉的收缩量的差距,这两种方法都有利于改善smile效应。最后通过实验结果证明了以上方法在实际操作中是可行有效的。