Investigación sobre la tendencia de desarrollo de láseres ultrarrápidos y ultraintensos y sus aplicaciones científicas

1. Introducción

Tras la aparición del láser, la tecnología de bloqueo de modo ha entrado en la era ultrarrápida de los femtosegundos (10-15 s) y se ha aplicado rápidamente a la física, la biología, química y materiales y otras investigaciones científicas básicas de vanguardia. El profesor Zewail recibió el Premio Nobel de Química en 1999 por su investigación pionera en química de femtosegundos. La tecnología de amplificación de pulso chirrido (CPA) ha impulsado aún más a los láseres a la era de las superpotencias [1], y científicos relacionados ganaron el Premio Nobel de Física de 2018.

Los láseres ultrarrápidos y ultrafuertes se refieren a campos de luz especiales que tienen características de dominio de tiempo ultrarrápido y características de potencia máxima ultraalta, creando campos de tiempo ultrarrápido y de intensidad ultraalta sin precedentes para los humanos en Las condiciones físicas extremas, como temperaturas y presiones ultraaltas, han promovido en gran medida el desarrollo y el progreso de ciencias de vanguardia como la física, la química, la biología, los materiales, la medicina y las ciencias interdisciplinarias. Se puede considerar que los láseres ultrarrápidos y ultraintensos son una de las herramientas más importantes de la investigación científica básica de vanguardia para ampliar la cognición humana. En algunos aspectos, son incluso métodos de investigación únicos e irremplazables.

Si bien la tecnología láser ultrarrápida y ultraintensa promueve la expansión continua de la investigación científica básica de vanguardia, también enfrenta nuevas necesidades de apoyo a la capacidad debido a la profundización de la investigación científica básica de vanguardia. Potencia para el desarrollo del sistema de tecnología láser. Fuerte tracción. Este artículo se centra en clasificar las necesidades de desarrollo y aplicación científica de los láseres ultrarrápidos y ultraintensos, así como el desarrollo tecnológico nacional y extranjero. Sobre esta base, realiza una demostración y un análisis de los objetivos de desarrollo de campo y las direcciones clave de mi país. con el fin de proporcionar una referencia de dirección para el desarrollo constante de la tecnología láser de mi país.

2. Análisis de las necesidades de aplicación y desarrollo de láseres ultrarrápidos y ultraintensos

Para ampliar la aplicación de láseres ultrarrápidos y ultraintensos en la investigación científica básica de frontera relacionada, existe Es una necesidad urgente mejorar aún más los parámetros del láser y explorar Utilice otros parámetros de pulsos láser para avanzar en la investigación científica básica de vanguardia ultrarrápida y ultraintensa a un nivel material más profundo. De acuerdo con las diferencias en los objetivos de la investigación científica de vanguardia, las necesidades de aplicación y desarrollo futuros en el campo se concentran en las dos partes siguientes.

(1) Láseres ultrarrápidos y sus aplicaciones científicas

Las necesidades futuras de desarrollo en esta dirección se pueden subdividir en láseres de attosegundos e incluso láseres de quitosegundo, ultravioleta extremo – terahercios, láser ultrarrápido de femtosegundo de banda completa con parámetros multidimensionales controlables con precisión.

Los láseres de attosegundos e incluso los láseres de quiasma-segundos persiguen el uso de láseres ultrarrápidos con anchos de pulso más cortos para estudiar procesos ultrarrápidos más rápidos dentro de la materia, lo que requiere el desarrollo de mayor energía de pulso, anchos de pulso más cortos y fotones más altos. -rendimiento de energía láser de attosegundos (10–18 s). Empuje la energía fotónica de los pulsos de attosegundos a la banda dura de rayos X y a la banda de rayos gamma, empuje el ancho del pulso a la escala de tiempo de decisegundos (10 a 21 s), elevando así el nivel de materia que los humanos pueden explorar desde el nivel atómico/ nivel molecular a la escala nuclear [2].

La escala de tiempo de femtosegundos corresponde a los procesos ultrarrápidos de sistemas materiales ricos como átomos/moléculas, materiales, proteínas biológicas, reacciones químicas, etc., y tiene amplias e importantes aplicaciones. Con una mayor expansión e investigación en profundidad, es necesario explorar procesos dinámicos ultrarrápidos más abundantes y complejos para controlar estos procesos ultrarrápidos. Para modular y utilizar las características paramétricas de los láseres ultrarrápidos en más dimensiones, no solo es necesario expandir el espectro de los láseres de femtosegundo a la banda infrarroja de terahercios, la banda ultravioleta de vacío-ultravioleta extrema, sino que también es necesario desarrollar el dominio del tiempo. , amplitud, fase, El láser ultrarrápido de femtosegundo con control preciso de parámetros multidimensionales, incluido el espectro, la polarización, el modo espacial, etc., está representado por el láser ultrarrápido de femtosegundo con control preciso de parámetros multidimensionales en la banda ultravioleta extrema: terahercios.

(2) Láseres ultraintensos y sus aplicaciones científicas

Según las diferencias en el posicionamiento y los objetivos de aplicación, esta dirección se puede dividir en baja frecuencia de repetición, potencia máxima ultraalta, Láseres ultraintensos, Láseres de alta potencia, Alta frecuencia de repetición, Potencia media y Láser ultrapotente. Entre ellos, la frecuencia de repetición baja se refiere a la frecuencia de repetición del pulso láser de 10 Hz o menos, y la frecuencia de repetición alta se refiere a la frecuencia de repetición del pulso láser de 1 kHz o más.

Solo mediante el uso de láseres ultrapotentes los humanos pueden crear condiciones físicas extremas en el laboratorio que son exclusivas del interior de las estrellas y los núcleos atómicos.

Utilizando una baja frecuencia de repetición, una potencia máxima ultraalta y láseres ultraintensos, se pueden estudiar en el laboratorio cuestiones físicas de vanguardia a microescala, como la aceleración de partículas láser, la física nuclear óptica y la colisión de luz gamma, y ​​se pueden estudiar supernovas. Las explosiones también se pueden estudiar a escala macro, erupciones solares, chorros de discos de acreción de agujeros negros y otros fenómenos astrofísicos, y también se pueden estudiar ondas gravitacionales, materia oscura, física del vacío y otras ciencias básicas de vanguardia que la humanidad desconoce. En respuesta a las necesidades de las principales investigaciones teóricas y experimentales nacionales, como aceleradores de partículas láser, física nuclear como la transmutación nuclear, física de altas energías, nuevas formas de energía de fusión láser, medicina nuclear láser, etc., baja frecuencia de repetición, ultra- Los láseres de alta potencia y ultraintensos proporcionan importantes herramientas de investigación científica.

En campos de aplicación relacionados con las necesidades estratégicas nacionales, como la seguridad aeroespacial, la física ambiental aeroespacial, etc., los láseres ultrapotentes de potencia media alta son herramientas importantes para adaptarse al entorno aeroespacial especial de alta repetición. Los láseres ultraintensos de alta velocidad son típicos. Los láseres ultraintensos con altas tasas de repetición y alta potencia promedio producen haces de protones, haces de electrones, haces de neutrones, rayos X, rayos gamma e incluso fuentes de luz secundarias ultraintensas, como pulsos de terahercios ultraintensos. herramientas, se pueden ampliar a la luz en investigaciones científicas básicas importantes y de vanguardia y aplicaciones prácticas, como reacciones nucleares, propulsión láser, energía de fusión nuclear, procesamiento de desechos nucleares y tratamiento de enfermedades.

3. Estado actual de la investigación de láseres ultrarrápidos y ultraintensos en el país y en el extranjero

(1) Láseres ultrarrápidos y sus aplicaciones científicas

1. Attosegundo ultrarrápido láser

La historia del desarrollo de los últimos 20 años muestra que la limitación fundamental de ampliar las aplicaciones mediante la generación de pulsos de attosegundos con armónicos de alto orden de banda ancha es que la energía del pulso único es relativamente baja. establecer un sistema láser ultrarrápido de segundos voladores de alta potencia y longitud de onda larga. La Unión Europea invirtió cientos de millones de euros para establecer en Hungría el dispositivo de luz extrema-fuente de pulso de attosegundo (ELI-ALPS), que genera pulsos de attosegundo con una alta potencia máxima y una alta potencia promedio a través de dos sistemas láser de petavatios [3]. El sistema de pulso láser de femtosegundo de infrarrojo medio de longitud de onda larga puede producir pulsos de attosegundos con mayor energía fotónica y menor ancho de pulso [4], por lo que muchas instituciones de investigación están trabajando en esta área. También se han logrado avances importantes en la investigación del láser de attosegundos con alta tasa de repetición [5]. Además, también se ha verificado inicialmente que la generación de pulsos de attosegundos mediante láseres de electrones libres de rayos X (XFEL) tiene ciertas ventajas a la hora de generar pulsos de attosegundos de alta potencia con alta energía de fotones (rayos X duros y bandas de rayos gamma).

La investigación nacional sobre láseres de attosegundos se concentra en instituciones de investigación científica como el Instituto de Óptica y Maquinaria de Precisión de Shanghai, el Instituto de Física y el Instituto de Óptica y Maquinaria de Precisión de Xi'an, afiliado a la Academia China de Ciencias. Debido al diseño general tardío, el nivel de investigación actual todavía está relativamente atrasado. En 2009, el Instituto de Óptica y Mecánica Fina de Shanghai midió el ancho del pulso de la cadena de pulsos de attosegundos y obtuvo un láser de pulso de attosegundos cerca del límite de la transformada de Fourier. En 2013, el Instituto de Física generó y midió un pulso de un solo attosegundo, obteniendo un láser pulsado con un ancho de pulso de 160 as. El Instituto de Óptica y Maquinaria de Precisión de Xi'an ha llevado a cabo muchas tareas en la investigación del láser de pulso de attosegundo. Las instituciones nacionales de educación superior, como la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong, la Universidad Normal del Este de China, la Universidad de Pekín, la Universidad Nacional de Tecnología de Defensa, etc., también están llevando a cabo investigaciones relacionadas con láseres de attosegundos. Además, algunas instituciones de investigación también han llevado a cabo una serie de trabajos sobre aceleración láser de alta potencia para generar electrones y rayos gamma de alta energía.

2. Láser ultrarrápido de femtosegundo

Utilizando métodos ópticos no lineales, la longitud de onda del láser de femtosegundo se ha ampliado desde la banda visible-infrarroja cercana hasta la banda ultravioleta-ultravioleta e infrarroja profunda: banda de terahercios. . Los láseres de electrones libres también han obtenido bandas ultravioleta de vacío y ultravioleta extrema y láseres de femtosegundos ultrarrápidos de terahercios, que tienen las ventajas de una alta energía y una longitud de onda sintonizable, pero los dispositivos relacionados son relativamente complejos. Para estudiar procesos dinámicos ultrarrápidos más complejos y ricos, también se ha desarrollado un control preciso de campos de luz multiparamétricos y láseres ultrarrápidos de femtosegundos de múltiples longitudes de onda.

Muchos equipos de investigación nacionales utilizan directamente láseres de femtosegundos importados comercialmente y superponen efectos no lineales para ampliar la longitud de onda y otros parámetros. En términos de control preciso de campos de luz y láseres ultrarrápidos de femtosegundos de múltiples longitudes de onda, instituciones como el Instituto de Óptica y Mecánica de Precisión de Shanghai, la Universidad de Ciencia y Tecnología de Shanghai y la Universidad Xi'an Jiaotong han completado una serie de investigaciones.

En 2019, se puso en funcionamiento el láser de electrones libres construido por el Instituto Dalian de Física Química de la Academia de Ciencias de China, logrando una salida de láser ultrarrápida con longitud de onda continuamente ajustable en las bandas ultravioleta del vacío de 50-200 nm y ultravioleta extrema, y ​​ejerciendo Emparejamiento de láser ultrarrápido de femtosegundo El papel de apoyo y expansión de la investigación científica básica [6]. El Instituto de Ingeniería Física de China ha utilizado láseres de electrones libres para lograr una salida láser ultrarrápida en la banda de terahercios.

(2) Láseres ultraintensos y sus aplicaciones científicas

La investigación internacional en esta dirección avanza rápidamente y la competencia es feroz. Se han desarrollado más de 50 conjuntos de dispositivos láser de nivel de petavatios. construido en el mundo[7 ].

1. Baja frecuencia de repetición, potencia máxima ultraalta y láser ultrapotente

La Unión Europea, Estados Unidos, Japón, Corea del Sur, Rusia y otros países o regiones están construyendo importantes instalaciones científicas con láseres de diez petavatios. Recientemente, muchos países o regiones han propuesto planes de desarrollo para importantes dispositivos científicos láser con 100~200 PW. Casi 40 instituciones de investigación científica en más de 10 países de la UE propusieron conjuntamente el plan de Infraestructura de Luz Ultraintensa (ELI), con el objetivo de desarrollar dispositivos láser ultraintensos de 200 PW. Se ha incluido en la futura hoja de ruta de desarrollo de la UE para grandes científicos. dispositivos en 2019, salida súper láser de 10 PW[8]. El dispositivo láser francés Apollon [9] logró una potencia láser de 5 PW en 2017 y una potencia láser de 10 PW en 2018. Actualmente, se está retrasando una producción de índice más alto. El dispositivo láser británico Vulcan [10] planea utilizar tecnología óptica paramétrica de amplificación de pulso chirriado (OPCPA) para aumentar la potencia máxima del pulso de salida desde el nivel de petavatios hasta el nivel de diez petavatios. El Centro Ava de Rusia (XCELS) tiene planes de investigación óptica extrema para alcanzar una potencia máxima de 200 PW. El dispositivo láser que se construirá contiene 12 rayos láser ultrapotentes con una potencia de 15 PW y un ancho de pulso de 25 fs, utilizando sistemas coherentes. tecnología de síntesis para producir láseres [11]. El dispositivo japonés del Proyecto Experimental de Ignición Rápida Láser (LFEX) ha logrado una salida de láser de petavatios con un nivel de picosegundos y una energía de pulso de 2 kJ, y se utiliza principalmente para apoyar la investigación en astrofísica y fusión nuclear con láser de ignición rápida. El Instituto de Ciencia y Tecnología de Gwangju (GIST) en Corea del Sur logró una salida de láser de 4,2 PW con una frecuencia de repetición de 0,1 Hz basada en el esquema CPA de zafiro de titanio [12]. El dispositivo OMEGA EP de la Universidad de Rochester (Estados Unidos) tiene una capacidad de salida de láser de 1 kJ/1 ps/1 PW y al mismo tiempo propuso el concepto de desarrollo de un láser ultrapotente de cien petavatios.

La investigación nacional sobre baja frecuencia de repetición, potencia máxima ultraalta y láseres ultraintensos comenzó temprano, y se formó un equipo de investigación con gran fuerza y ​​niveles razonables. Desde 1996, la "Conferencia Nacional de Física de Láseres de Alto Campo" que se celebra cada dos años ha promovido significativamente los intercambios académicos y el progreso de la investigación en campos relacionados. En los últimos años, nuestro país ha logrado importantes resultados de investigación en esta dirección, algunos de los cuales ya se encuentran a nivel internacional. En 2017, el Instituto de Ingeniería Física de China obtuvo una salida de láser ultrapotente de casi 5 PW basada en cristal de triborato de litio (LBO) de gran diámetro y ruta técnica OPCPA [13]. El Instituto de Óptica y Mecánica Fina de Shanghai utilizó la solución CPA de zafiro y titanio para ser el primero en el mundo en lograr una salida láser de 5 PW en 2016, y el primero en el mundo en lograr una salida amplificada de 10 PW en 2017 [14]; 1 PW de potencia láser utilizando tecnología OPCPA [ 15]; en 2018, fue el primero en el mundo en establecer un proyecto y comenzar la construcción de un dispositivo láser ultrapotente de cien petavatios. Además, algunos colegios y universidades han propuesto recientemente planes para construir decenas de dispositivos láser a nivel de petavatios.

2. Láser ultrapotente de alta frecuencia de repetición y alta potencia promedio

Los métodos técnicos en esta dirección se dividen principalmente en láser ultrarrápido de disco y láser ultrarrápido de fibra. Después de resolver el problema de gestión del efecto térmico del medio de ganancia, el láser de disco alcanza una potencia media de kilovatios. El láser de fibra de femtosegundo tiene las ventajas de una buena disipación de calor, una integración conveniente y flexible, una buena calidad del haz y una alta eficiencia de conversión. Puede lograr una amplificación láser con una tasa de repetición de más de 1 MHz y se ha desarrollado rápidamente en los últimos años. Limitada por efectos no lineales, la energía de salida de CPA y la potencia en las fibras ópticas aún no son altas.

En 2012, el profesor Mourou, un académico de renombre internacional, lanzó el programa "International Amplified Coherence Network" (ICAN) en la Unión Europea [16], con el objetivo de promover el desarrollo de láser de femtosegundo basado en fibra y su tecnología de formación de haces logra pulsos láser ultraintensos con alta frecuencia de repetición, alta potencia promedio y alta potencia máxima, y ​​explora fuentes de conducción para aceleradores de partículas de nueva generación. En el marco del proyecto ICAN (láser ultraintenso de 10 J/100 fs/10 kHz), la Universidad de Jena (Alemania) ha tomado la iniciativa en la realización de numerosos estudios sobre la emisión temporal y espacial del láser de fibra de femtosegundo. Por ejemplo, se han utilizado 16 combinaciones de rayos láser de femtosegundo de fibra óptica para obtener una salida láser de alta frecuencia de repetición con una potencia promedio de kilovatios, una nueva solución tecnológica que combina agrupación de haces coherente espacial (16 32) con agrupación de haces coherente temporal o; Se ha propuesto el apilamiento de pulsos, se espera lograr una salida de súper láser de 300 fs/100 TW de manera más económica [17].

Todavía falta un diseño de investigación sistemática para láseres ultraintensos de alta frecuencia de repetición y alta potencia promedio en China. Sólo unas pocas unidades de investigación, como el Instituto de Óptica y Mecánica Fina de Shanghai. La Universidad de Pekín, la Universidad Nacional de Tecnología de Defensa y la Universidad de Tianjin están trabajando en investigaciones y exploraciones separadas en direcciones tecnológicas centrales, como el desarrollo de fibra óptica de ganancia de alto rendimiento, tecnología de amplificación láser de disco, oscilador de femtosegundo de fibra, tecnología de fibra CPA. agrupación espacial de rayos láser, apilamiento de tiempo de pulso y compresión de pulso, etc. Algunas instituciones de investigación científica y universidades han seguido realizando investigaciones en direcciones técnicas como las fibras de ganancia de área de campo modo grande y los láseres de femtosegundo de alta energía y potencia. En vista de las buenas perspectivas de aplicación en el campo del micromecanizado, muchas empresas nacionales han llevado a cabo el desarrollo de productos láser de femtosegundo de fibra óptica con una potencia de decenas de vatios, y algunas empresas han lanzado productos láser ultrarrápidos de femtosegundo con una potencia de 50 W y más. A pesar del rápido desarrollo, la mayoría de los productos requieren el uso de componentes clave del extranjero y todavía hay pocos componentes clave con derechos de propiedad intelectual independientes. En general, la investigación en esta área está relativamente dispersa y aún no se han formado una planificación, división del trabajo y colaboración sistemáticas en la cadena industrial.

IV. Ideas y objetivos de desarrollo de láseres ultrarrápidos y ultrapotentes en mi país

(1) Láseres ultrarrápidos y sus aplicaciones científicas

1. Attosegundo ultrarrápido láser

La energía fotónica de los pulsos de attosegundos se abre paso hasta el nivel de 1 keV o incluso 10 keV, apoyando el desarrollo de la dinámica electrónica ultrarrápida de la capa interna de attosegundos, la dinámica orbital de espín de los electrones y otros procesos físicos básicos, macromoléculas y Incluso investigaciones sobre dinámica de electrones ultrarrápidos y cambios estructurales de estructuras complejas como macromoléculas biológicas. Las tecnologías clave involucradas incluyen: sistema láser de infrarrojo medio de alta potencia, período bajo, fase de envolvente portadora estable, generación de pulsos láser de attosegundos de alto brillo a nivel de kiloelectronvoltios, medición de impulso de electrones y múltiples electrones de alta resolución, y Método de dispersión Compton. Empuje la energía de los fotones hacia la banda de rayos X dura y la banda de rayos gamma.

El ancho de pulso de los pulsos ultrarrápidos alcanza el nivel de 1/2 segundo, lo que respalda el estudio de la dinámica electrónica de la capa interna profunda e incluso la dinámica de los núcleos atómicos. La energía de los fotones de los pulsos de attosegundos alcanza el nivel de 10 keV e incluso la banda de rayos gamma, y ​​el ancho del pulso de attosegundo tiene la posibilidad de entrar en la escala de tiempo de chi-segundo. Las tecnologías clave involucradas incluyen: tecnologías relacionadas con la mejora de la eficiencia de la producción, tecnología de medición ultrarrápida relacionada con aplicaciones prácticas, medición del ancho de pulso de zsegundos, etc.

2. Láser ultrarrápido de femtosegundo

Con el desarrollo de la investigación científica básica sobre espectroscopía ultrarrápida de femtosegundo, además de utilizar características de dominio de tiempo de pulso, también se pueden utilizar características espectrales y de polarización. . Las principales ideas de investigación de seguimiento son: desarrollar láseres de femtosegundos de banda ancha de banda ancha ultravioleta extrema con frecuencia de repetición de megahercios, desarrollar pulsos láser de femtosegundos de múltiples longitudes de onda de alto rendimiento y peines de frecuencia óptica de femtosegundos de múltiples longitudes de onda para lograr formas de pulso simultáneas y direcciones radiales espaciales. Láser de femtosegundo polarizado (o vórtice), controlado con precisión con una estructura especial de espacio-tiempo; desarrollar un láser ultrarrápido con frecuencia de repetición de gigahercios, avanzar en nuevas tecnologías de espectroscopia ultrarrápida, como el fotón único y el entrelazamiento cuántico, y mejorar la estabilidad y la eficiencia de detección del espectro ultrarrápido. apoyar el estudio de sistemas microscópicos más puros y procesos dinámicos ultrarrápidos de múltiples cuerpos más complejos; utilizar láseres ultrarrápidos multiparamétricos controlables con precisión para estudiar el control óptico preciso de procesos biológicos en ciencias del cerebro, tumores, desarrollo y regeneración biológica, etc.

(2) Láseres ultrapotentes y sus aplicaciones científicas

1. Baja frecuencia de repetición, potencia máxima ultraalta, láseres ultrapotentes

El La demanda radica en las principales ciencias físicas de vanguardia. Investigación de problemas para ampliar la cognición humana. La siguiente dirección de desarrollo sigue siendo continuar aumentando la potencia máxima del láser (de 100 PW a 1 EW), aprovechar el terreno técnico de la densidad de potencia de enfoque más alta (1025 W/cm2) y proporcionar la tecnología más avanzada. Condiciones físicas extremas para la investigación científica de vanguardia. Para mejorar la eficiencia y confiabilidad de estos experimentos de vanguardia, se debe aumentar adecuadamente la frecuencia de repetición de los láseres ultraintensos y se deben realizar investigaciones sobre la producción de láseres ultraintensos y sus aplicaciones en campos de luz especiales como la luz de vórtice. hacia fuera; Laser ampliará aún más su alcance de aplicación. Con la mejora continua de la densidad de potencia de enfoque del láser, los requisitos de contraste de tiempo de los pulsos láser son cada vez mayores, y se deben llevar a cabo investigaciones innovadoras sobre salida y medición de manera específica. Además, la investigación y el diseño innovadores de enfoque láser de gran apertura se han convertido en una necesidad urgente de desarrollo, que puede mejorar efectivamente la densidad de potencia de enfoque y al mismo tiempo aliviar los problemas de costos asociados con la amplificación de la energía láser de salida.

La potencia máxima y la frecuencia de repetición son avances para futuras investigaciones y desarrollo. Se espera que en 2025, 2030 y 2035 respectivamente se alcance una producción láser con potencias máximas de 100 PW, 500 PW y 1000 PW (1 EW), y también se logren mejoras revolucionarias en la frecuencia de repetición. ① Se necesitarán aproximadamente 5 años para lograr una potencia máxima de salida de un solo disparo de 100 PW y una tasa de repetición de 10 PW de salida láser. El dispositivo láser realiza un procesamiento de polarización al vacío para respaldar la investigación básica en astrofísica, antimateria y otras investigaciones básicas para lograrlo. resultados iniciales de investigaciones científicas innovadoras. ② Se necesitarán unos 10 años para superar los problemas de desarrollo y extensión de la vida útil de componentes clave, como rejillas de gran tamaño, aumentando la energía del láser de la bomba y utilizar métodos como la combinación de rayos láser espaciales para lograr una salida de láser de 500 PW para soportar el Desarrollo de ondas gravitacionales, materia oscura y otras fronteras. ③Usar alrededor de 15 años para lograr una producción láser de nivel de exavatios en términos de láseres de bomba de mayor potencia mejorando el tamaño y el umbral de daño de componentes clave como rejillas de gran tamaño, combinados con métodos de agrupación de haces espacialmente coherentes, desarrollando nuevos sistemas de enfoque, aumentando; la densidad de potencia enfocada a 1025 W/cm2; la exploración de nuevos principios y nuevos métodos basados ​​en la interacción de la luz y la materia para lograr una potencia láser de nivel de exavatios y el desarrollo de nuevas soluciones técnicas para el desarrollo del láser en la región de la electrodinámica casi cuántica (QED); para respaldar investigaciones más avanzadas sobre física de láseres de campo fuerte.

2. Alta frecuencia de repetición, alta potencia promedio, láser ultraintenso

Según el nivel tecnológico actual de mi país, las expectativas de desarrollo tecnológico y las principales necesidades nacionales, alta frecuencia de repetición, alto promedio Láser ultraintenso de potencia. El desarrollo tiene las siguientes tendencias de desarrollo. ① Utilice aproximadamente 5 años para concentrarse en dominar tecnologías centrales como CPA de fibra de femtosegundo, agrupación espacial coherente, apilamiento de tiempo de pulso y compresión de pulso de alta energía, y reducir la complejidad, dificultad y costo de este tipo de láser a través de la trayectoria y el diseño. innovación. ② Se necesitarán alrededor de 10 años para generar una salida de láser ultrapotente con una frecuencia de repetición de kilohercios a nivel de teravatios; centrarse en la investigación sobre la generación de armónicos de alto orden de pulsos láser de attosegundos y la aceleración de electrones láser en la física del láser de campo fuerte. pulsos láser de attosegundos de alto flujo para promover el desarrollo de la investigación de la dinámica de attosegundos en átomos/moléculas y materiales; impulsar el desarrollo de aplicaciones industriales a través de avances en la tecnología láser y reducir el costo de energía de los láseres de fibra de femtosegundos. ③ Se necesitarán alrededor de 15 años para lograr una salida de láser ultrapotente con una frecuencia de repetición de diez teravatios o más; reducir significativamente el costo de impulsar la potencia del láser de femtosegundo de fibra a través de aplicaciones por lotes en el campo industrial; combinar láseres de nivel de teravatios. , lograr un láser ultrapotente de diez teravatios con alta tasa de repetición en el laboratorio; centrarse en la investigación sobre aceleradores de partículas miniaturizados para promover la expansión de haces de protones de alta energía y alta tasa de repetición en el campo médico; de lasers Source, explorando aplicaciones importantes como la energía de fusión láser y el procesamiento de residuos nucleares.

5. Direcciones técnicas clave de los láseres ultrarrápidos y ultrapotentes

1. Láseres ultrarrápidos de attosegundos

Las direcciones clave de desarrollo en el futuro incluyen principalmente: alta energía Láser de attosegundo único Segundo pulso láser, láser de attosegundo de alta potencia promedio (alta tasa de repetición), pulso de attosegundo de alta energía fotónica, pulso de attosegundo miniaturizado de alta tasa de repetición para ampliar la aplicación del pulso de attosegundo. Las direcciones de desarrollo tecnológico relevantes son: tecnología de pulso láser de período bajo (incluido el infrarrojo medio) de alta calidad, tecnología de medición de pulso láser de attosegundo simple y conveniente, nueva tecnología de aplicación de láser de attosegundo, rayos X duros y gamma de alta calidad y alto brillo. tecnología de generación de rayos, tecnología láser de 1 segundo, etc.

2. Láser ultrarrápido de femtosegundo

Las direcciones clave de desarrollo en el futuro incluyen principalmente: tecnología láser de femtosegundo de alto rendimiento y longitud de onda múltiple, tecnología láser de femtosegundo de peine de frecuencia dual/multifrecuencia de banda ancha , tecnología megaláser Hertziano de alta tasa de repetición vacío de alto rendimiento ultravioleta – ultravioleta extremo, infrarrojo – terahercios tecnología láser ultrarrápida, tecnología láser de femtosegundo con polarización especial y modos espaciales como polarización radial y vórtice, gigahercios de alta tasa de repetición punto cuántico miniaturizado ultrarrápido Tecnología láser , tecnología láser ultrarrápida de emisión de superficie de cavidad vertical (VCSEL), implica tecnología láser de femtosegundo con control preciso de campos de luz multidimensionales como el dominio del tiempo, el espectro, la polarización, el espacio, la fase y la amplitud, etc.

3. Baja frecuencia de repetición, potencia máxima ultraalta y láser ultraintenso

La densidad de potencia de enfoque y el contraste son los parámetros más importantes: la tecnología de amplificación, la tecnología de compresión de pulsos y el espacio. La tecnología de enfoque, la mejora del contraste y la tecnología de medición deben desarrollarse aún más. Las direcciones técnicas clave en el futuro incluyen: tecnología de amplificación de alto rendimiento (es decir, tecnología CPA u OPCPA de energía ultra grande y el correspondiente cristal láser de apertura ultra grande o desarrollo de cristal no lineal), amplificación Raman de plasma y amplificación de pulso chirrido cuasi paramétrica (QPCPA). ) y otras nuevas tecnologías de amplificación, nuevo diseño de compresores y desarrollo de rejillas de compresión de umbral de gran diámetro y alto daño, tecnología de ensamblaje de haz láser ultraintenso de gran diámetro, mejora del contraste del pulso láser y tecnología de medición de disparo único, ultra de gran diámetro -tecnología de medición en línea de características espacio-temporales de láser intenso, conformación de frente de onda láser ultraintenso de gran apertura y nuevo diseño de sistema de enfoque de alto rendimiento, control de precisión de campo eléctrico espacio-temporal de láser ultraintenso y tecnología de ajuste de longitud de onda, compresión de pulso extra-cavidad tecnología para pulsos láser ultraintensos, campos de luz especiales como vórtices y polarización radial. Generación de láser ultrafuerte y sus aplicaciones.

4. Láser ultrapotente de alta frecuencia de repetición y alta potencia promedio

Las direcciones clave de desarrollo futuro incluyen principalmente: nueva amplificación de fibra de femtosegundo, nueva tecnología de amplificación láser de disco, femtosegundo de alta frecuencia de repetición Tecnología de apilamiento de tiempo de pulso láser y agrupación de haces coherente espacial y sus tecnologías innovadoras derivadas, tecnología de medición de fase y control de retroalimentación activa de muchos rayos láser en agrupación de haces coherente espacial, diseño de fibra especial y tecnología de procesamiento para nueva amplificación láser de femtosegundo, compresión de pulso y gestión de dispersión. tecnología, tecnología de fuente de bomba láser de alta frecuencia de repetición, tecnología de gestión de efectos térmicos en el proceso de amplificación de alta frecuencia de repetición, desarrollo de componentes centrales como fibra de ganancia de alto rendimiento, rejilla de fibra chirriada de alto rendimiento y rejilla de transmisión, control preciso de espacio-temporal Campo de luz y tecnología de sintonización de longitud de onda, etc.

6. Contramedidas y sugerencias

(3) La investigación científica básica para mejorar la cognición humana requiere no sólo la innovación y la creatividad de los investigadores nacionales, sino también el ingenio de los científicos globales. Fortalecer los intercambios y la cooperación internacionales, atraer talentos internacionales para llevar a cabo investigaciones conjuntas y acelerar y mejorar aún más la investigación científica relacionada. En áreas como los láseres ultraintensos, en los que mi país ya ocupa una posición de liderazgo, así como en algunas áreas de investigación con innovaciones punteras y disruptivas, podemos considerar la construcción de importantes instalaciones de ciencia básica en el marco del programa "One La iniciativa "Belt, One Road", que se centra en mi país y atrae a otros países (como países asiáticos, Rusia, etc.) llevan a cabo investigaciones conjuntas e investigaciones tecnológicas. Mejorar la influencia internacional de la innovación científica y tecnológica de mi país mediante el intercambio de resultados de investigación científica básica (similar al plan ELI y el plan de detección de agujeros negros, etc.).

(4) Para lograr el objetivo de que los resultados de la investigación básica satisfagan mejor y más rápidamente las necesidades del desarrollo económico y social nacional, se recomienda que las instituciones de investigación científica y las universidades fortalezcan la cooperación con las empresas para promover la práctica. Aplicación de láseres ultrarrápidos y ultraintensos. Transformación eficiente de los logros científicos y tecnológicos. Al mismo tiempo, fortaleceremos la protección y gestión de los derechos de propiedad intelectual y preveniremos riesgos técnicos.