发表在High Power Laser Science and Engineering2019年第3期上的综述文章“Petawatt and exawatt class lasers worldwide”对当今世界范围内的拍瓦激光装置进行了概述，生动地展现了随着时间的推移，超强激光装置的重心逐渐从其发源地美国转移到了欧洲，再到现在牢固地确立在亚洲。

01美国篇

    直到新千年以前，美国的国家实验室和大学系统一直引领着世界范围内的超高功率激光装置的发展。这些装置包括：世界上首台输出拍瓦激光的Nova拍瓦装置；唯一可以满能量运行的兆焦激光NIF装置；罗切斯特大学主导的OMEGA装置及其升级系统OMEGA-EP；劳伦斯伯克利国家实验室的BELLA装置等。

Nova装置

    利弗莫尔国家实验室（LLNL）在高能量超高功率激光装置的发展历史中扮演了关键的主导地位。LLNL于1970年末建造完成Shiva装置，随后，其继任者Nova装置的一路束线站于1990年末建造完成，实现了世界上第一个拍瓦激光输出。利用一套专门的前端和真空压缩室，该装置获得了680 J，440 fs的激光脉冲，峰值功率达到了1.5 PW。Nova拍瓦装置的一个重要进展是实现了制造口径达到1 m的大尺寸衍射光栅，并将其用于真空压缩室当中。

图1 Nova Petawatt压缩机内景图（图片由LLNL提供）。

NIF装置

    LLNL中的NIF（国家点火装置）是第一个、也是目前唯一可以满能量运行的兆焦耳激光装置。它由192路40 cm x 40 cm的光束组成，能够发射共1.8 MJ能量，3 ns脉宽，峰值功率达到0.6 PW的三倍频激光，可以用于间接驱动。NIF于2009年3月正式投入使用，至今已经运行了9年，持续为国家点火计划和核武器储备管理计划提供数据。2018年，NIF实现了创纪录的2.15 MJ靶上能量输出，尽管脉冲峰值功率并未提升。

图2 ARC装置压缩室（图片由LLNL提供）

OMEGA装置

    罗切斯特大学的激光动力能实验室（LLE），虽然是依托大学建造的，但它更像是一个国家实验室。从CPA技术的首次提出，到首台千焦级拍瓦激光器OMEGA-EP的顺利运行，LLE在超高功率激光的发展过程中扮演了重要的角色。OMEGA-EP的结构和NIF类似，共有四路激光，与已经发展完成的可以输出60路脉宽较长、总能量为30 kJ、波长为351 nm的OMEGA激光系统一起结合使用。

    OMEGA-EP可以为惯性约束聚变实验提供X射线背光照相和质子射线照相等功能。该激光器可以工作在0.6~100 ps范围，在最佳压缩条件下可以获得接近1 PW的性能表现，当脉宽大于10 ps时，脉冲能量能够达到1.25~2.3 kJ。该激光器的研制促进了高损伤阈值介质膜光栅的发展，研究人员采用了拼接光栅的结构。

Z-Beamlet装置

    在桑地亚国家实验室中，一台大规模的千焦拍瓦激光装置被用来为Z-pinch装置提供X射线照相功能。该装置使用了Beamlet激光，它起初是作为LLNL的NIF装置的原型装置，在1998年退役后转运到了桑地亚并被重命名为Z-Beamlet。该装置后来升级了Z-Petawatt来实现增强的射线照相功能。2016年文献报道Z-Backlighter装置升级了其两种运行模式的性能。根据不同的真空光栅压缩室，装置可以运行在两种CPA模式下。由主放大器可以直接输出100 J/500 fs（200 TW）的光到一个独立的靶室。另外一个压缩室可以输出500 J/500 fs, 1 PW的光束到一个新的真空腔Chama中。

高能激光网络

    考虑到美国有许多较小规模的激光装置，美国能源部科学局建立了一个高能激光网络LaserNet来协调超高功率激光器的运行。其最初的成员包括：科罗拉多州立大学；俄亥俄州立大学；密歇根大学；内布拉斯加大学林肯分校；德克萨斯大学；斯坦福直线加速器中心和劳伦斯·伯克利国家实验室。该网络在2019年进一步扩充，包含了前述的利弗莫尔国家实验室的木星装置和罗切斯特大学激光动力能实验室的OMEGA-EP装置，这两个装置目前都作为用户装置来运行。

02欧洲篇

英国

    英国科学与技术设施委员会卢瑟福阿普尔顿实验室的Vulcan拍瓦激光器是首个用于国际等离子体物理学界的用户装置。它有两个靶室区域：一个具有6束300 J (1053 nm, 1 ns)长脉冲光束结合两束同步的短脉冲激光，另外一个具备高能拍瓦输出性能（500 J, 500 fs）并和一束长脉冲激光同步。Vulcan 2020升级项目计划将Vulcan装置的峰值功率提升到20 PW (400 J, 20 fs)，并引入新的靶室区域用于极端光强的相互作用。

Gemini是一台在中央激光研究所运行的钛宝石激光器。它作为一台科学用户装置来运行，满足了近年来日益增长的工业方面的实验需求。它具备两路超高功率激光束线束，每一路都可以输出15 J, 30 fs，中心波长为800 nm的脉冲，靶室中峰值功率达到500 TW，聚焦强度大于1021 W/cm2。通过在靶室中使用双等离子体镜可以获得高对比度脉冲。

    英国原子武器研究机构的Orion装置在2013年4月开始运行。它是一套钕玻璃激光系统，具有十路长脉冲激光束线（500 J, 1ns@351 nm）和两路同步的红外拍瓦激光（500 J, 500 fs）。其中一路拍瓦激光束线通过倍频获得超高对比度的绿光，可以输出200 J, <500 fs, 400 TW的激光脉冲，纳秒尺度的时间对比度>1018。

图3. Orion激光装置（图片由AWE提供）

    斯特拉斯克莱德大学和贝尔法斯特女王大学等高校也有拍瓦级激光装置。例如，贝尔法斯特女王大学等离子体物理中心的TARANIS钕玻璃激光系统，以及位于格拉斯哥的斯特拉斯克莱德大学的SCAPA装置，是欧洲最高平均功率的商品化拍瓦级激光装置。

图4. SCAPA装置（图片由斯特拉斯克莱德大学提供）

法国

    法国的科学和国防相关国家实验室以及大学机构，在超高功率激光装置的发展建造和运营中扮演了重要角色。

    LMJ（兆焦耳激光）装置位于法国波尔多，是一台兆焦耳级的激光装置，目前正在服役。装置设计有176路的长脉冲激光，口径达到40 cm x 40 cm，可以输出1.4 MJ的总能量，波长为351 nm，最高功率为400 TW。5簇（40路激光）已经在2018年开始运行，其余会在未来几年服役。

    LASERIX装置位于奥赛大学直线加速器实验室（LAL）。这是一套钛宝石激光系统，最早属于巴黎第十一大学，后来转运至LAL。它是一个用于泵浦XUV激光的高重频多光束激光器。2006年，该激光器首次演示了没有完全压缩的36 J能量输出。装置目前运行在低功率模式（最高30 TW）以开展同步相干X射线和极紫外及红外激光的实验。LASERIX作为一台高强度激光目前被用来和电子枪相结合，用于产生5~10 Mev的同步光电子簇。

    位于法国巴黎南郊萨克雷地区的Apollon是新一代的钛宝石10 PW激光装置。该装置采用了OPCPA和钛宝石放大的混合式结构，具有高对比度的前端，采用钕玻璃激光器进行泵浦来获得高能量短脉冲输出。装置设计输出150 J，15 fs的脉冲，峰值功率达到10 PW，重频为1分钟一发。

图5. 阿波罗激光装置（图片由阿波罗提供）。

德国

    德国的许多激光装置都隶属于亥姆霍兹联合会，共有18个亥姆霍兹中心，涉及多范围学科领域。

    位于加尔兴的GALA（先进激光运用中心）是一个由慕尼黑技术大学和慕尼黑大学联合运营的机构，具有如下两套激光装置：ATLAS 3000 包含一套自制的300 TW峰值功率钛宝石激光器和一个90 J，1 Hz的功率放大器，脉冲压缩后可以输出60 J，25 fs，2.4 PW的1 Hz激光脉冲；拍瓦综合研究平台（PFS）采用二极管泵浦的1 ps，1 J，10 Hz 厚片Yb:YAG激光对OPA链路进行泵浦，泵浦能量正在升级为10 J，10 Hz。

    位于德国杜塞尔多夫海因里希·海涅大学激光等离子体物理研究所的Arcturus系统，是一个双光束的钛宝石激光系统，每路激光脉冲可以压缩得到~30 fs脉宽，传输到相互作用腔室的效率为~50%。两路脉冲可以在靶室中实现空间重合、时间同步。因此该系统可以输出2 x 3.5 J = 7 J的能量到靶室中，脉宽小于30 fs，系统总峰值功率超过200 TW。

    PHELIX（用于重离子实验的拍瓦高能激光）是一台千焦耳钕玻璃激光器系统，位于亥姆霍兹重离子研究中心。它可以单独运行，也可以与重离子加速器相结合。激光可以在长脉冲和短脉冲模式间切换，短脉冲模式下可以输出400 J，400 fs脉冲。GSI计划的另外一个千焦耳钕玻璃激光器将用于反质子和离子研究，重复频率预计为1分钟一发。

    亥姆霍兹中心有两套二极管泵浦的系统：POLARIS拍瓦激光放大器用于密集辐射实验，位于亥姆霍兹耶拿研究所，它是一个全二极管泵浦的Yb:glass/Yb:CaF2拍瓦激光器，拼接光栅压缩器将靶室中的峰值功率限制为200 TW，该装置目前已经具有54 J的放大输出能力；PEnELOPE拍瓦节能激光器用于光学等离子体实验，是一个重复频率的二极管泵浦的宽带Yb:glass/Yb:CaF2激光器。

俄罗斯

    俄罗斯科学院应用物理研究所拍瓦级OPCPA激光系统2006年实现了0.2 PW的输出，2007年升级为0.56 PW。该装置命名为PEARL（拍瓦参数激光），采用DKDP作为增益介质，中心波长为910 nm，脉宽为43~45 fs。PEARL-X是新一代的OPCPA装置，理论上具备10 PW性能，实际运行中将控制在4~5 PW。该项技术后来转移到了俄罗斯联邦原子能中心的FEMTA装置，将采用2 kJ的激光作为泵浦，具备成为一套数拍瓦装置的能力，但受制于目前的泵浦，输出指标为1 PW，100 J，100 fs。

    俄罗斯联邦原子能中心于2012年开始建造高功率兆焦耳激光装置VNIIEF，预计将在未来几年内服役。这个多光束钕玻璃激光器可以输出能量为2.8 MJ的527 nm绿光，用于惯性约束聚变直接驱动束靶辐照。与NIF和LMJ中采用了圆柱间接驱动的构型不同，VNIIEF装置采用球形间接驱动的构型。共有6个激光输入孔，将在氘氚冰层冷冻靶的表面形成非常均匀的X射线场分布。

其它国家

    在西班牙萨拉曼卡大学的脉冲激光中心（CLPU），VEGA装置基于一个相同的前端（交叉偏振波产生和双CPA）共有三条放大链路。该装置由西班牙国王于2018年9月正式揭牌。

图7 在被转移到SULF大楼前，SULF原型激光器在进行最终调试（图片由SIOM提供）。

日本

原文链接：《亚洲成为世界拍瓦激光装置建设的热点区域》

免责声明：

    网站内容来源于互联网，由网络编辑负责审查，目的在于传递信息，提供专业服务，不代表本网站平台赞同其观点和对其真实性负责。如因内容、版权问题存在异议的，请与我们取得联系，我们将协调给予处理（按照法规支付稿费或删除），联系方式：ahos@aiofm.ac.cn 。网站平台将加强监控与审核，一旦发现违反规定的内容，按国家法规处理，处理时间不超过24小时。