拍瓦激光系统的原理分析及应用

李丽芳

摘 要：拍瓦激光系统在粒子加速、军事武器和激光聚变等领域都有着重要的研究价值，本文从拍瓦激光的产生背景出发，分析了拍瓦激光系统获得高功率超强激光输出的原理，并从元素转换、核裂变、激光武器等方面介绍了拍瓦激光系统的应用，指出拍瓦激光系统的发展在未来有着举足轻重的地位。

关键词：激光系统；原理分析；应用

1 前言

激光技术已经发展了50多年，这项技术的发展似乎已经到达极限，然而更先进的高能激光系统为其开启了新的篇章。中科院最近宣布成功研制出的5PW（1PW=1015W=1千万亿W）超强激光放大系统，是目前世界上功率值最大的激光放大系统。拍瓦级激光主要是为实现快速核聚变点火而生。这种快速点火技术需要极高能量的激光（上万太瓦级）打入等离子体冕区，由此催生了拍瓦级激光器。为了研发这种超强激光系统，科学家们耗费了近30年的时间和精力，随着啁啾脉冲放大技术（CPA）的发明和基于啁啾脉冲放大技术的小型化台式化超短超强激光系统的发展，使得激光脉冲峰值功率从太瓦（TW）向拍瓦（PW）推进，给拍瓦级乃至更高级别的激光系统创造了重要的技术条件。

2 拍瓦激光系统的理论分析

拍瓦激光系统的研制成功得益于钛宝石晶体和啁啾脉冲放大技术。钛宝石是当今最优秀的可调谐激光晶体，调谐带宽在660～1100nm，吸收带位于400～600nm，峰值吸收在490nm附近，激光跃迁的上能级寿命为3 ?s。这种激光系统是一种CPA/OPCPA混合放大器，主要包括基于钛宝石晶体的800nm波段宽带高信噪比CPA放大链、基于三硼酸锂（LBO）晶体的光参量啁啾脉冲（OPCPA）终端放大器和激光脉冲压缩器等几个模块。CPA前端采用交叉偏振波（XPW）脉冲净化技术，将激光脉冲的信噪比提高到10-11量级，经CPA多通放大到数焦耳量级后，注入到终端OPCPA放大器中；采用口径为100mm×100mm的LBO晶体和非共线相位匹配模式，在脉冲能量为169J的时空近平顶分布的钕玻璃倍频激光泵浦下，通过优化泵浦光和信号光的注入条件，获得45.3J的放大输出，转换效率接近27%，放大光谱全宽约80nm，压缩脉宽为32fs，压缩后单脉冲能量为32.6J，对应峰值功率为1PW。该结果表明基于LBO的OPCPA放大器能够在800nm附近、大口径、高通量下实现宽带、高转换效率的放大，为更高能级的拍瓦超强激光系统奠定了坚实的技术基础。

啁啾脉冲放大技术是获得高功率超强激光输出的最重要技术，但在放大过程中存在一些不可避免的效应，如受到增益介质内的增益窄化、增益饱和、自相位调制以及色散等效应的影响，输出脉冲的波形和频谱产生畸变，严重影响脉冲的有效放大、压缩及光束质量。而这种高信噪比CPA放大链和OPCPA终端放大器相结合的技术刚好将CPA的高稳定性、高转换效率和OPCPA的无横向寄生振荡、无热效应、B积分小等优点相结合，充分发挥了CPA和OPCPA两种激光放大技术的优势，充分验证了CPA/OPCPA混合放大器作为5PW，10PW甚至更高级超强激光系统总体技术路线的可行性。

3 拍瓦激光系统的应用

拍瓦激光的应用十分广泛，可以用于粒子加速、生物物理、量子物理、国家安全和激光聚变等领域。拍瓦强激光束可使原子核产生反应以击碎原子，由激光加速的电子以接近光的运动速度与金箔靶的原子核碰撞，产生γ射线，把金原子核的中子击出，使金元素变为铂之类的元素。因此拍瓦激光可应用于元素转换，金属转换等原子分子物理中。另外，产生的γ射线可以驱动处于金后面的铀层，使铀核分裂为较轻的元素，这种效应与核反应一致，因此可以作为新能源应用在军事武器中。这种拍瓦激光武器在军事中的地位不言而喻，它通过利用高亮度强激光束携带的巨大能量摧毁或杀伤敌方飞机、导弹、卫星和人员等目标，可以使电磁系统彻底瘫痪，或者让大型战略目标在一定时间内失去控制，做到无差别、百分百的精确打击。它超越了常规武器的限制，确切地说，是一种定向武器但可以做到灵活多变。目前美国等一些国家已经将其运用到战斗机和航母上，它将改变以往航母无力自卫的局面，更有可能淘汰航母群作战模式，改为精英作战。我国也将大力投入拍瓦激光武器，因为这种新概念武器具有精度高、速度快、效率高、打击范围广、限制因素少、电磁干扰小、可以实现长时间持续作战等特点，相比原子弹所付出的代价，具有绝对的战略优势。除此之外，拍瓦超强超短激光能在实验室内创造出前所未有的超强电磁场、超高能量密度和超快时间尺度等综合性极端物理条件，在激光加速、激光聚变、阿秒科学、天体物理、核物理、高能物理、核医学等领域也同样具有重大应用价值。

4 小结与展望

中国不是最早研发拍瓦激光系统的国家，美国、俄罗斯、德国等国家在很早以前就开始了这方面的研究。中国虽然起步较晚，但是发展势头迅猛。我国对拍瓦激光系统的研制远远不止停留在这5PW上，做这些都是为了下一步的10PW（1亿亿W）超强超短激光系统做铺垫。上海光机所强场激光物理国家重点实验室正在研制10PW级超强超短激光系统。目前，国际上多个国家也都提出了大型超强超短激光系统的研究计划，英国和法国正在开展10PW超强超短激光装置的研制工作，并计划于2017年建成10PW超强超短激光用户装置；美、俄、日本、欧盟的ELI计划等也纷纷提出了各自的发展路线，目标是200PW超强超短激光装置，这将开启拍瓦激光系统研究与应用的新时代。拍瓦激光系统已成为未来世界各大强国积极争取的制高点，若研制成功，必将引发世界各国综合实力的重新划分。

参考文献

[1]李晓莉.光学参量啁啾脉冲放大技术的研究[D].西安电子科技大学，2010.

[2]高艳霞，赵改清.用于高能拍瓦激光系统前端的周期极化LiNbO3光参量放大[J].中国激光，2007，34（8）：1092-1095.

（作者单位：广东南方职业学院）