高能量全固态亚纳秒激光器

2013年09月07日 来源： 科技日报 作者： 李大庆 http://www.stdaily.com/stdaily/pic/attachement/jpg/site2/20130907/011378496864671_change_hzp3951_b.jpg9月4日，中科院工作人员在检查深紫外非线性光学晶体的光透度。新华社记者 马宁摄 科技日报北京9月6日电（记者李大庆）由中国科学院承担的国家重大科研装备研制项目“深紫外固态激光源前沿装备研制项目”今天在北京通过验收。这个系列科研装备的研制成功，使我国成为世界上唯一一个能够制造实用化深紫外全固态激光器的国家。 经过10多年的努力，中科院的科研人员在深紫外激光非线性光学晶体方面实现突破，在国际上首先生长出大尺寸氟硼铍酸钾晶体，并发现该晶体是第一种可用直接倍频法产生深紫外波段激光的非线性光学晶体。在此基础上，科研人员又发明了棱镜耦合技术（已获中、美、日三国专利），率先发展出直接倍频产生深紫外激光的先进技术，并全面开展新型深紫外激光科研装备的研制和学科应用研究。 2007年，财政部设立专项，对中科院深紫外固态激光源前沿装备研制予以支持。经过5年多的持续攻关，利用大尺寸氟硼铍酸钾晶体和棱镜耦合专利技术，中科院理化技术所、物理所、大连化物所和半导体所的科研人员在世界上首次研制成功8类8台集实用化、精密化于一体的深紫外固态激光源，实现了一系列关键指标的突破。利用这8台深紫外固态激光源，科研人员成功研制出了深紫外激光拉曼光谱仪、深紫外激光光化学反应仪、深紫外激光光发射电子显微镜、深紫外激光光致发光光谱仪、深紫外激光自旋分辨角分辨光电子能谱仪、光子能量可调深紫外激光光电子能谱仪、深紫外激光原位时空分辨隧道电子谱仪、基于飞行时间能量分析器的深紫外激光角分辨光电子能谱仪等8台科学仪器。 据了解，目前这8台仪器已经在石墨烯、高温超导、拓扑绝缘体、宽禁带半导体和催化剂等一系列重大研究领域中获得了重要结果：证实了Pb、O等原子可通过单层石墨烯岛的开放边界进行插层反应，实现石墨烯与衬底之间去耦合；首次发现拓扑绝缘体Bi2Se3的自旋结构和轨道结构是固定在一起；首次观测到Bi2212能量/动量谱与不同激发光子能量关系。相关研究成果已发表在国际顶级科学期刊上。 今天通过验收的包括两个平台——深紫外非线性光学晶体与器件平台和深紫外全固态激光源平台，以及深紫外激光拉曼光谱仪等8台科学仪器。验收委员会的专家认为，这些仪器设备的研制成功及在石墨烯、高温超导、拓扑绝缘体、宽禁带半导体和催化剂等研究中获得的重要成果，“使我国深紫外领域的科学研究水平处于国际领先地位，并在物理、化学、材料、信息等领域开创了一些新的多学科交叉前沿。”“该项目取得的研究成果属于原始创新工作，具有重要意义，并对继续开拓深紫外激光的应用具有十分重要的意义。” 据介绍，深紫外全固态激光源前沿装备研制项目的实施，初步打造了我国“晶体－光源－装备－科研－产业化”的自主创新链。在科技部的支持下，中科院新启动了深紫外仪器设备的产业化开发工作；在财政部的支持下，中科院也启动了深紫外固态激光源前沿装备的二期研制项目。 中科院院长白春礼在验收会上说，科研装备创新能力是衡量一个国家科技创新能力的重要标志。现代科技的进步越来越依靠科学仪器的创新和发展，科研仪器装备的突破，往往催生新的科研领域，产出重大创新成果。迄今为止，至少有1/3的诺贝尔物理和化学奖授予了那些在测试仪器和实验方法方面有重要创新的科学家。所以，我国要实现重大科学突破，不仅要有创新自信，要善于提出原创科学思想和方法，而且要发展出新的试验手段，研制出新的仪器装备。

激光功率和能量计主要用来测量光源的输出。无论光发射是来源于弱光源（如荧光），还是来源于高能量的脉冲激光器，功率和能量计都是实验室、生产部门或是工作现场等多种应用环境中必不可少的工具。 虽然功率计和能量计是分别提供的，但随着能够适用大量不同类型的光学传感器的通用型仪表盘或显示装置的发展，它们也被合起来称作单独的一类仪器——功率和能量计，或PEM。仪器所采用的光学传感器的类型，决定了其能测量光功率还是光能量，通常单位分别瓦特（W）或焦耳（J）。具体来讲，功率计能够测量连续波（CW）或者重复脉冲光源，其所使用的传感器通常是热电堆或光电二极管。能量计则通常用于测量脉冲激光，即单脉冲或者重复脉冲光源，其所使用的传感器包括热释电、热电堆，或者带有专门为测量脉冲光源而设计的电路的光电二极管。

量子场论被认为是描述最本质物理规律的学科之一。利用最基本的关系式，狄拉克方程，所提出的多种预测已经被证实，并得到具有重大意义的结果。到目前为止，关于最具挑战性且有重大价值的一项预测的真实性验证还仍然在探索中：光是否能够直接转化成物质，即强场下真空中是否能够激发出正负粒子对。1951年诺贝尔奖得主Julian Schwinger给出了电子对在均匀稳恒电场中产生率的表达式，这项先驱性的工作引起了人们对这项对物理基础学科发展和应用极富挑战性的重大科学课题的注意，并激发人们开始投入大量精力来挑战这个未解的难题。超快超强激光技术的快速发展正在为开展这项研究提供前所未有的实验条件，使其逐渐成为物理学的一个新的前沿热点。迄今为止，人们在实验上已经得到一些有意义的结果，重离子对撞实验以及美国斯坦福线型加速器上进行的46.6GeV电子束和强激光碰撞实验，已经证实了正负电子对的产生。但是到目前为止，由强光场直接引起的真空击穿和相应的正负电子对产生过程的实验还未能实现，主要原因是目前激光系统的最大强度虽然已经高达2×1022W/cm2，但仍不足以直接“击穿“真空。为了获得更高功率的激光系统，跨国研究中心也正在建设中。我们能够预期，在不久的将来，激光就可接近甚至达到“击穿”真空并自发产生正负电子对的强度，在避免其它效应的情况下对超临界场产生正负粒子对的过程进行直接检验。如果能够实现，将是人类首次证实光可以直接转化成为物质，即爱因斯坦的能质公式E=mc2, 这对于物理学的发展和所带来影响是不可估量的。　对于这一重要问题，理论和数值方面已经得到了非常有意义的结果，但大部分工作都只考虑了电场而并没有考虑磁场效应。最近中科院物理所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）光物理实验室强激光高能量密度物理组与美国伊利诺斯州立大学、中国矿业大学和上海交通大学的合作者一起，首次研究了磁场效应对局域超临界电场下正负电子对产生过程的影响。通过运用基于量子场论的非微扰的精确数值模拟，发现在超临界的电场中即使考虑强度非常小的磁场，只要其空间宽度足够宽，仍然可以关闭正负电子对产生通道，使系统变为次临界，并且伴随产生粒子数在时间上的震荡效应(见图1)。一直被公认的Schwinger公式和Hund公式都无法对这种效应做出描述。通过计算系统总哈密顿量的能量本征值得出，磁场变宽的同时正负能态的上下限随之相互远移，当磁场宽度达到粒子在磁场中的回旋半径的时候系统就变为次临界(见图2)，并且出现离散的朗道能级引发粒子数在时间上的震荡效应。上述研究结果发表在近期的物理评论快报上：http://prl.aps.org/abstract/PRL/v109/i25/e253202。该工作得到了国家基金委、科技部、科学院和美国国家基金委的资助。http://www.iop.cas.cn/xwzx/kydt/201212/W020121231638765715614.png 图1. 不同磁场宽度下正负电子对的产生数随时间的变化关系。其中WB=1.25/c约为电子在磁场中的回旋半径：磁场宽度小于回旋半径时，粒子数持续产生，系统为超临界；磁场宽度大于回旋半径时，系统变为次临界。http://www.iop.cas.cn/xwzx/kydt/201212/W020121231638765722390.gif 图2. 根据总哈密顿量得到的能级分布随磁场宽度WB变化关系。宽度小于回旋半径时，正负能态交叠，能够持续产生电子对；宽度大于回旋半径时，正负能态分离并出现离散的朗道能级。