英国激光技术发展态势

zyp · 发表于 2008-12-15 00:01:56

英国激光技术发展态势(上)
英国一直非常重视激光技术方面的研发，高校集中研发是其一大传统，如久负盛名的“牛津激光”。英国拥有一流的激光技术研发队伍和研究设施，为保持其在激光技术研发上的地位，英国目前出台了引领世界的激光技术发展规划。

1 英国激光协会

英国激光协会又称布莱克特实验室激光协会，成立于上世纪90年代，聚集了高强短脉冲激光以及强激光物质相互作用领域的专家。其大范围的实验和理论研究是在帝国学院和牛津大学进行的。激光协会的实验项目主要集中于强短脉冲激光技术上。其在非线性光学、等离子物理学以及分子动力学领域处于世界引领地位。其所使用的主要设施是两座世界先进的啁啾脉冲放大激光系统。一座是基于玻璃介质的激光器，能产生1J（2皮秒）的激光束，不久它将被升级至1J（次500飞秒）脉冲。另一座是基于掺钛蓝宝石放大介质激光器，所产生光束的功率与上面的一个相似，但脉冲周期仅为60飞秒。目前进行的项目包括高强短脉冲激光器的研发以及高密度超快过程研究。主要资助来自英国工程与物理科学研究理事会。（注：其重大合作项目还是通过英国研究理事会中心实验室理事会（CCLRC）来开展）

2英国的“高能激光战略”

该战略旨在通过英国研究理事会中心实验室理事会（CCLRC）的努力，使英国在提供专门激光设施，特别是用于研究极强激光物质相互作用的设施方面领先于世界。CCLRC将继续保持同其使用团体的协商，以确定正在出现的科学领域，在这些领域CCLRC的科学家们的技术与科学见解对英国科学具有积极的影响。

目前CCLRC项目正在进行中央激光设施的Astra和Vulcan激光器的升级以及继续其研发合作项目，目的是为下一代超高密度激光器的开发奠定基础。

超短脉冲激光器在化学和生命科学领域的应用以及借助“钻石”光源进行的联合研究将变得愈发重要。CCLRC计划开发基于自由电子激光器光源的同步加速器及激光技术，第四代光源以及其它项目。

3 英国中央激光设施（CLF）的激光器升级

英国中央激光器设施（CLF）是其所在机构、英联邦各成员国以及欧洲各大学之间的合作设施。旨在为开展在物理学、化学和生物学领域的大范围的实验提供条件。

该升级项目包括两部分：一是对其激光器Astra的升级；二是对激光器Vulcan的升级。

3.1 Astra升级

英国将投入300万英镑将Astra激光器升级为0.5PW双光束激光器。该计划将使之成为世界最高密度激光器，届时它将成为独一无二的、具备进行新的突破性实验能力的激光器。其每束激光可被分别设定并聚焦至1022W/cm－2，更重要的是系统将能够每分钟打火一次。

它包括两大目标：

（1）升级至借助载波包络相控制的次10飞秒级少循环激光脉冲，同步、可调谐波长飞秒级激光脉冲，同步的次10飞秒级高次谐波超紫外线束，从而成为专门的飞秒级科研站点服务于材料科学、表面科学、原子以及分子科学、诊断学、超速光学、同步加速器X射线学以及强场科学研究。

（2）建成双探测束系统，用于检测高强度等离子体相互作用过程。首先将产生一更短（10飞秒级）的激光脉冲用于探测主激光脉冲内部以探究其作用机制。同时另一可调谐脉冲将用于生成在照相机可捕捉的波长范围内的等离子体的高分辨率影像。以上两探测束将利用主astra激光脉冲的25 MJ产生（相当于能量降低5％）。这些脉冲将首先被置于一个新的压缩器中被压缩至40飞秒。

3.2 Vulcan升级

目标是将Vulcan升级为10PW级且强度为1023W/cm－2的激光器即10PW级的光参量啁啾脉冲放大（OPCPA）激光设施。届时它将开启崭新的光学领域从而发现新的科学机遇。它将使一些最基础科学理论的验证成为可能。其研究范围将涵盖从极大物质到极微小物质，应用范围则涵盖从重力现象到微观的量子电动力学。同时，它将使英国拥有世界独一无二的相对论等离子体物理学研究时机，相应地，它将极大地促进实验室天体物理学以及聚变能产生路径选择研究等新兴学科的发展。目前所取得的进展是建造了一条1PW的激光线，并于2002年使其投入了运转。仅此一项便确立了英国为唯一拥有激光强度达到1021W/cm－2超强激光设施国家的地位。

该项升级将分为两个阶段：

（1）“非联机”阶段：计划为2年时间，于2006～2007财年开始。该阶段不影响Vulcan的正常使用，主要是设法产生一个适合将其放大至高能量强度的强反差的中等能量强度的脉冲。

（2）“联机”阶段：计划为3年时间，于2007～2008财年开始。将影响到Vulcan的正常使用，主要涉及能量放大和相关联的压缩（或靶）作用装置。

从原理上，上述两个阶段可以分别进行，也可以同时进行，这主要取决于FDAB Panel。

zyp · 发表于 2008-12-15 00:02:34

英国激光技术发展态势(中)
4“第四代光源”计划（4GL）

英国的“第四代光源”计划是其高能激光战略项目的重要组成部分。“第四代光源”将是一国际领先的中子光源设施。它将结合能量还原直线加速器（ERL）和自由电子激光（FEL）技术，从而得到集同步加速辐射和自由电子激光辐射于一体的覆盖THz级到弱X射线范围的先进光源。它在能量还原方面居于欧洲领先地位，并且是世界性能最全面的复合光源。它是英国TESLA XFEL、小型激光器以及第三代激光器的补充。

该计划分为两部分：一是设计阶段：主要是针对面临的技术问题进行工程的设计研究，研发重点是原型机（ERLP）的建造；二是实施阶段：强化4GLS的科学及其商业运作，开发其国际背景以及保证实现的各种资源。

工程实验区设在英国戴尔斯伯里实验室原核结构设施，它将用于容纳4GL原型机即ERLP。用于工程设计的160万英镑资助款项已于2005年初到位。

目前项目已顺利通过OGC Gateways 0和1，计划将用2006年1年时间通过2和3。4GL的概念设计方案已于2006年9月8日公布并同时举行了专家讨论。

4GL的独特优势在于：

（1）由于光源的整合，使得泵浦－探测和双色光动力学得实验成为可能，它将带来实验的灵活性和成本的经济性；

（2）被优化的高强的、可调谐的、偏振度不同的自由电子激光为在超紫外线、紫外线和红外线（THz）范围内的光谱学以及成像研究提供了条件；

（3）弱X射线（THz）为短脉冲、高频率操作成为可能；

（4）降低了光源同时无法运转的可能性；

（5）它将是欧洲最强和最宽的连续THz辐射光源。

它将使对低于10飞秒级的瞬时、纳米结构的或弱紫外线系统的实时分子过程及其反应的研究成为可能。它关注的是分子水平以及装置的性能，而并非第三代同步辐射光源和X射线自由电子光源所主要关注的静态结构。它将推动相关领域以下关键问题的研究：

（1）理解在生命系统和膜传送过程中单个生物分子的功能；

（2）确定催化反应路径；

（3）在原子或分子以及开发反应的“连续控制”方面电子运动的研究；

（4）通过对电子电荷和自旋传送的理解开发新型纳米装置；

（5）开发新型动态影像技术用于癌症和基于prion蛋白疾病的早期诊断。

5“钻石”光源（Diamond Sources）计划

“钻石”光源是英国目前正在兴建的新型科学研究基础设施。位于英国南牛津郡的Harwell Chilton科学园区。它是一座巨大的基于自由电子激光器的同步加速设施，可以被形容为一系列超级显微镜组合。容纳该设施的主体建筑呈环形，占地面积相当于5个足球场。最终建成后的“钻石”将包括40个一流研究站，支持生命科学、物理学和环境科学研究。整个设施的建筑主体。预计在2007年上半年完成设备安装和光束线的试运行，并开始向研究者开放。整个设施的建设期将长达30年，是英国投资建设的最大科研基础设施。

“钻石”光源将产生极强的X射线、红外线和超紫外线光束。将被用于探测物质和材料的基本结构，支持任何关于从生命起源到地球形成的基础研究。

它是第三代3GeV同步光源。将利用磁体矩阵即内嵌部件而产生极强的窄的电磁光束，比目前英国柴郡戴尔斯伯里实验室的装置所产生的光强10000倍。

它将是世界上最好的中等能量强度的X射线源，可以产生能量强度在100eV～20000eV之间的X射线，还能提供强度达到100000eV的X射线。

“钻石”光源可以支持40条光束线。前期的建设将分为两个阶段：第一阶段将建成7条光束线；第二阶段将以每年4～5条的速度建成15条光束线。两阶段全部22条光束线将于2011年完成。

“钻石”光源包括3个粒子加速器，一个电子枪产生一束低能电子流进入第一个直线加速器，它将电子的能量升至约100MeV，然后进入同步加速器，将其能量最终升至3GeV，最后将其射入到巨大的存储环。

其所有光束线将包括一个或多个光学区、实验区和控制区（用户区）。光学区主要包括各种光学部件，如单色器、反射镜、狭缝、滤波器和透镜组等；实验区包括各种实验设备，如样本位置远程调节器、探测器等；控制区则是用户从各方面操纵设备的区域，同时收集并分析实验数据。

首先建成的8条光束线分别为：

Ⅰ03～Ⅰ04：用于微分子结晶学；

Ⅰ06：用于纳米科学；

Ⅰ15：极端条件研究；

Ⅰ16：用于材料科学和磁学；

Ⅰ18：微聚光谱学；

Ⅰ22：用于菲晶体衍射研究。

zyp · 发表于 2008-12-15 00:03:27

英国激光技术发展态势(下)
6 英国各重要高校激光技术的研发情况

6.1 牛津大学

牛津大学物理系超快X射线研究中心在高能量激光物质相互作用研究方面享有盛誉。她主要利用某些世界上功率最大的激光器研究那些存在于强激光物质相互作用过程中的各种现象。其所取得的最新进展是发现了在激光强度大于1020W/cm-2时，激光物质将转化为等离子体并通过使电子发生相对论性速度振荡二产生极端非线性效应。该发现具有诸多科学应用价值，包括X射线激光器、激光驱动的粒子加速器、原秒级超紫外线光源、飞秒级X射线衍射装置的开发以及天体物理学相关材料的实验室研究等。这些方面均已被列为研究中心的研究重点。

（1）在X射线激光器方面：

目前正在进行方案设计，计划在未来几年中基于线性加速器技术开发出0.1纳米波长的自由电子X射线激光器。同时正在探讨新的理论方法用于研究强激光领域的电子相关效应，目的是开发新的X射线相干源（特别是稀有气体光束）。

（2）在激光驱动粒子加速器方面：

目前所取得的突破是开发出一种新型波导管，克服了激光－等离子体互作用长度因折射散焦而无法达到要求标准的缺陷。在开发激光驱动粒子加速器的过程中，还将完善该波导管以使其适合粒子加速并对具有纵向结构的等离子体管进行研究。

目前中心在卡莱瑞登实验室拥有大功率（3TW）飞秒级激光设施.

6.2 赫瑞瓦特大学（Heriot-Watt）

赫瑞瓦特大学工程与物理学院关注自由电子激光器的研究和开发。其目前正在进行的项目是有关在自由电子激光器上进行非线性和时间分辨半导体光谱学研究。重点在于电子自旋周期的设计以及基于能带结构工程学对设备的优化。具体涉及以下两方面的半导体设备物理学研究主题：

（1）光泵浦Si/SiGe量子喷泉以及混合材料激光器。

通过对光泵浦Si/SiGe量子级联结构的研究最终制造一个电子泵浦Si/SiGe量子级联激光器。

（2）对窄禁带半导体结构的电子驰豫和电子自旋注入的研究；

最终目标是制造一个窄带半导体自旋FET装置，其电子自旋由一个栅电极控制而非传统的FET由电子充电控制。

6.3 圣安德鲁斯大学（St Andrews）

圣安德鲁斯大学物理学与天文学学院致力于各种激光源和光参量振荡器超短脉冲的产生、特性描述以及应用研究。

目前的研究主要集中于以下几方面：

（1）小型低阈值飞秒级激光器的开发；

（2）基于反射的色散补偿方案研究；

（3）在近红外线和无线通讯波长范围内的multi-GHz光源研究；

（4）新型激光材料（如掺镱钨酸盐）研究；

（5）高效超快蓝光光源研究；

（6）基于半导体的脉冲源和纳米结构的研究；

（7）1.3微米飞秒级光源在生物光子学领域的应用。

6.4 帝国学院

帝国学院物理系“原秒级激光器”计划：

开始于2003年9月，是受英国研究理事会资助的基础技术项目。该项目是以英国激光协会为中心并受其管理。其原秒级光源基于通过高谐波转换在气态介质中的非线性强（达1015w/cm－2）超快（达6飞秒）脉冲转换。

6.5南安普敦大学

南安普敦大学物理学与天文学学院在激光器研发方面主要集中在“垂直外腔表面发射激光器（VECSEL）”的研制方面。目前研究主要包括：

（1）VECSEL锁模；

（2）利用光学斯塔克效应产生次500飞秒级脉冲；

（3）利用VECSEL脉冲产生THz级激光；

（4）高重复率的VECSEL；

（5）采用掺镱介质放大VECSEL的脉冲；

（6）对VECSEL时间抖动的特征描述及其运行稳定性。

冷伏海综述（参考文献略）

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