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據(jù)美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)高能密度物理組（HEDP）激光及工程靶先進(jìn)研究科學(xué)中心（SCARLET）激光裝置拍瓦開發(fā)小組的高級(jí)研究員兼項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)Enam Chowdhury介紹：“SCARLET激光器于2012年6月13日開始運(yùn)行，它是世界上能量最高的激光器之一，也是美國(guó)市場(chǎng)上峰值功率最高的亞百飛秒激光器。”Chowdhury表示，中心波長(zhǎng)為815 nm的SCARLET激光器，設(shè)計(jì)輸出500TW的峰值功率，聚焦峰值光強(qiáng)達(dá)10²¹W/cm²，脈寬30fs，脈沖能量達(dá)15J，聚焦后的光斑尺寸為5μm（半高全寬值），重復(fù)頻率為每分鐘一發(fā)。該研究小組還計(jì)劃于明年在該激光器中加入變形鏡，進(jìn)而使其輸出的峰值強(qiáng)度提升到10²²W/cm²以上。

該激光器獲得的參數(shù)已經(jīng)足夠引人注目，而其重復(fù)頻率更是值得關(guān)注。Chowdhury稱：“現(xiàn)有超高強(qiáng)度激光系統(tǒng)通常受限于較低的重復(fù)頻率。通常，大規(guī)模激光系統(tǒng)每天最多能發(fā)射若干發(fā)激光。”

HEDP實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)Richard Freeman教授補(bǔ)充道：“SCARLET的主要目的是用于每天需要幾百發(fā)穩(wěn)定激光的實(shí)驗(yàn)，這將使我們的HEDP小組更加精確地模擬高能密度系統(tǒng)，并且真正理解超強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用中的物理現(xiàn)象。”

SCARLET激光參數(shù)

盡管SCARLET激光器的最大峰值功率設(shè)計(jì)為500TW，但人們將它稱為0.5PW或拍瓦級(jí)激光器。它有兩種工作模式，包括波長(zhǎng)調(diào)諧范圍0.8~4.0μm的短脈沖千赫茲（0.1~0.8mJ，1kHz，25fs），主要用于激光損傷研究。

圖1：俄亥俄州立大學(xué)的SCARLET激光器峰值功率500TW、脈寬30fs，將用于研究光與物質(zhì)之間的相互作用。

將千赫茲級(jí)的激光輸出通過額外的鏡條光柵展寬器（將脈沖展寬至800ps）、雙啁啾脈沖放大（DCPA）裝置以及各種脈沖質(zhì)量改善裝置（包括垂直偏振波產(chǎn)生系統(tǒng)）后，SCARLET激光器的功率達(dá)到最大值。脈沖還通過大量鈦藍(lán)寶石多通放大器，最后一級(jí)放大器用兩個(gè)波長(zhǎng)527nm、單脈沖能量25J的釹激光器泵浦。新型壓縮器包括一對(duì)26cm長(zhǎng)和56cm長(zhǎng)的衍射光柵。整套激光系統(tǒng)在1000級(jí)超凈間內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)，并配有入口空氣吹淋室以及聯(lián)網(wǎng)的溫度濕度傳感器。

隨后，SCARLET激光器的輸出在真空狀態(tài)下打入1200平方英尺的靶室。在靶室中，激光首先在10.5英尺長(zhǎng)、直徑6英尺的圓柱形真空室內(nèi)被壓縮，然后在直徑3英尺7英寸、高3英尺6英寸的35端口室內(nèi)，入射到最終的f/2離軸聚焦拋物鏡。

除了具備八大激光診斷裝置外（包括發(fā)射焦斑診斷以及空間啁啾診斷），SCARLET系統(tǒng)中還具有X射線二極管、預(yù)等離子體陰影儀、Schlieren成像、伽瑪射線以及中子譜儀、湯姆遜拋物面反射器離子分析儀、干涉儀、高定向熱解石墨X射線光譜儀、X射線真空相機(jī)和K-alpha彎曲晶體成像光譜儀診斷設(shè)備。所有這些設(shè)備通過48核六節(jié)點(diǎn)電腦組控制，每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含130Gbyte內(nèi)存，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)陣列采用10Tbyte獨(dú)立磁盤冗余陣列（RAID）。

預(yù)期實(shí)驗(yàn)

SCARLET主要涉及的研究領(lǐng)域在于超高強(qiáng)度、超短脈沖激光與固態(tài)靶之間的相互作用。SCARLET研究小組的高級(jí)研究科學(xué)家Kramer Akli表示：“太陽(yáng)光照射到地球表面的光強(qiáng)約為0.1W/cm²，SCARLET的光強(qiáng)比該值高22~23個(gè)數(shù)量級(jí)，因此使得我們可以在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中研究類似恒星條件下的光與物質(zhì)之間的相互作用。”

    快點(diǎn)火核聚變是該研究的一個(gè)預(yù)期領(lǐng)域。美國(guó)的國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF）需要192束激光（每束能量為5kJ、脈寬若干納秒）同時(shí)聚焦到幾毫米大的靶上。與之相比，快點(diǎn)火聚變需要50kJ、20ps的脈沖與靶相互作用，其制造精度要求可以適當(dāng)放寬，并且可以使用價(jià)格相對(duì)便宜、易于安裝的核聚變能源。通過分析粒子以及能量在熱密物質(zhì)中的傳輸，SCARLET激光器有助于理解激光脈沖如何能夠以最佳方法點(diǎn)燃激光核聚變靶。

       除了用于激光驅(qū)動(dòng)的X射線技術(shù)以及中子/伽瑪射線光源等實(shí)驗(yàn)外，SCARLET激光器還將用于產(chǎn)生高能質(zhì)子，用于研究質(zhì)子快點(diǎn)火、用于材料診斷的質(zhì)子照相，以及用于治療癌癥的質(zhì)子療法（一種放射療法）。