4月27日,我国迄今为止投资最大、建设周期最长的国家重大科技基础设施项目——硬X射线自由电子激光装置(XFEL)在上海张江综合性国家科学中心开工建设。这一总投资近100亿元的“大国重器”计划于2025年竣工并投入使用,为物理、化学、生命科学、材料科学、能源科学等多学科提供高分辨成像、超快过程探索、先进结构解析等尖端研究手段,形成独具特色、多学科交叉的先进科学研究平台。


上海张江综合性国家科学中心的光子科学设施集群

它与已有的上海同步辐射光源、软X射线自由电子激光装置、超强超短激光实验装置等一起构成的世界领先的光子科学中心,将使我国的光子科学研究从跟跑、并行走向领跑。

        2018年4月,SPIE newsroom发表了题为“Marriage of a 20 keV superconducting XFEL with a 100P W laser”(作者Toshiki Tajima, Ruxin Li)的文章
以下是转译自SPIE。

2017年7月10日,中国国家科技重大基础设施上海相干光源实验装置(SCLF)在上海组织了超强激光站(SEL)的国际评审会议。评审委员会成员包括来自德国,美国,英国,法国,日本,加拿大和中国的高能物理学家和理论物理学家,由R. Sauerbrey和N. Wang担任主席。由中国科学院上海光学精密机械研究所所长李儒新领导的工作组在高能量,高功率,高重复频率激光系统的研发方面取得了一系列突破。


采用啁啾脉冲放大(CPA)技术的10PW激光系统

特别是上海光机所研究和开发的OPCPA激光放大器达到世界最高功率水平。如图1所示是上海光机所的峰值功率10PW的CPA激光设备与系统。上海超强超短激光实验装置(SULF)的10PW激光系统,采用CPA技术,主放大器中钛宝石的直径为235mm,是上海光机所制造的最大的激光晶体。

基于这些成果,上海光机所提出了100PW激光系统,即超强激光站(SEL)站。这个系统有两个重要的显著特点。首先,其功率水平将比欧盟计划中的最高功率激光器Extreme Light Infrastructure(ELI)高出一个数量级。其次,它的设计是将100PW激光器作为SCLF的X射线自由电子激光装置系统的一部分。该项目在国际评审会议上得到了强烈赞同,并获得中国政府的批准,总体投资水平约为13亿美元。


超强激光站的物理参数

超强激光站(SEL)站的参数远远超出了现在的其他任何设备。表1展示了其典型的主要物理参数。从超导x射线自由电子激光器(XFEL)产生的SCLF的相干x射线能量为3到15keV(硬x射线),每个脉冲的光子数是1012,能量分辨率为0.6eV时的脉冲聚焦度为200nm,x射线的聚焦强度高达1021W/cm2。

用于光子学研究的100PW激光器的参数如下:其峰值功率为100PW,其焦点处光强高达1023W/cm2。(如果可以更好地对焦,它可以达到1025W/cm2)。虽然这是单次脉冲输出时的性能,但如果功率为0.1到1PW时,它可以提供1Hz的重复频率。

这些参数本身就足以令人兴奋 。然而,当他们共存和联合作为一个整体时显示出卓越的探索未来科学的能力。同步加速器光源和强激光器的组合在20世纪90年代首次被提出并进行实验。 这些基于加速器的同步加速器光源(甚至更先进的XFEL与强激光器)的组合已经走过了很长的路。目前SCLF的这两个光源的结合将揭开一个新的科学体系,并且会极大地影响各种技术和应用,例如核子光子学和非线性干涉测量。当激光被压缩至仄秒量级,相对应功率达到艾瓦量级时,我们不仅能够探索强场QED物理,我们也会看到在更广泛的基础物理学中出现新的现象。此外,此项技术还将加强光子诱导的核物理、核材料的处理(包括核废料)、核药理学、核生物化学和医学方面的研究。


超强激光站的布局原理图

文章链接:http://www.spie.org/newsroom/marriage-of-a-20kev-superconducting-xfel-with-a-100pw-laser?SSO=1