科研激光器

根据俄罗斯国家科学院西伯利亚分院网站报道，西伯利亚分院大电流电子研究所科研人员与托木斯克国立大学合作，研发出一种基于NV中心和光泵浦的金刚石激光器。相关研究结果发表在《Nature Communications》杂志上。制造该设备需要一种人造金刚石，经过辐射热处理，在其晶体结构中形成许多抗激光辐射的色心。对于量子技术来说，最重要的是NV中心（金刚石的色心之一）。NV色心是金刚石的结构缺陷，包括一个氮原子（N）和一个相邻的空位，晶格位置未被碳原子（V）占据。多年来，科研人员从金刚石色心获得激光辐射均未成功。此次，科研人员在含有多达10个NV中心和每百万碳原子多达300个氮原子的合成金刚石样品中，实现了非热发光的增强和激光辐射的产生。

经过１０余年设计制造、３５亿美元投资，美国建成世界最大激光器　　新浪科技讯 北京时间5月7日消息，据美国《连线》杂志网站报道，在劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)国家点火设施(NIF)的科学家，希望利用192个激光器和一个由400英尺长的放大器及滤光器阵列构成的装置，制造出一个像太阳或者爆炸的核弹一样的自维持聚变反应堆(self-sustaining fusion reaction)。最后一批激光器安装完毕后，《连线》网站记者参观了这个点火设施。观看看世界上最先进的科学设备。　　1.美国“国家点火装置”　　这个大部头看起来可能很像迈克尔贝执导的《变形金刚》中的人物，但是这个大型机器很快就会成为地球上的恒星诞生地。　　美国“国家点火装置” 位于加州，投资约合24亿英镑，占地约一个足球场大小。科学家希望该激光器能模仿太阳中心的热和压力。“国家点火装置”由192个激光束组成，产生的激光能量将是世界第二大激光器、罗切斯特大学的激光器的60倍。2010年，192束激光将被汇聚于一个氢燃料小球上，创造核聚变反应，打造出微型“人造太阳”，产生亿度高温。　　2.庞大的靶室　　庞大的靶室　　在庞大的靶室里，192束激光束进入直径是33英尺的蓝色真空室，在那里跟一个胡椒瓶大小的目标物相撞。然后这些光束会以动力较低的红外线的形式，从该仪器的不同部位出来，这个部位跟DVD播放器的内部结构类似。接着激光经过一系列复杂的放大器、过滤器和镜子，以便变得足够强大和精确，可以产生自维持聚变反应堆。　　3.包含放射性氢同位素、氘和氚的铍球　　包含放射性氢同位素、氘和氚的铍球　　这个铍球包含放射性氢同位素、氘和氚。科学家将利用这个系统的192个激光器产生的X射线轰击它。核子熔合的关键是有足够的能量把两个核子熔合在一起，在这项实验中用的是氢核子。由于把两个核子分开的斥力非常强，因此这项任务需要利用极其复杂的工程学和特别多的能量。　　例如，在光束进入真空室(包含图片上方的目标物)之前，激光必须通过巨大的合成水晶，转变成紫外线。发射到真空室里的光束会进入一个被称作黑体辐射空腔(hohlraum)的豆形软糖大小的反射壳(reflective shell)里，光束的能量在这里产生高能X射线。从理论上来说，X射线的能量应该足以产生可以克服电磁力的热和压力，这样核子就能熔合在一起了。电磁力促使同位素的核子分开。　　4.靶室顶部的起重机和气闸盖　　靶室顶部的起重机和气闸盖　　在第一张照片的靶室顶上，是用来把底部仪器放入真空室的起重机和气闸盖。如果这个仪器产生作用，它将成为未来发电厂的前身，将提高科学家对宇宙里的力的理解。当常规核试验被禁止的时候，它还有助于我们了解核武器内部的工作方式。　　5.精密诊断系统　　精密诊断系统　　激光束将被发射到精密诊断系统里，以在它进入靶室以前，确定它能正常工作。　　6.激光间　　激光间　　在激光间(laser bay)里眺望，会看到国家点火设施的激光间2号向远处延伸超过400英尺，激光在从这里到达靶室的过程中，会被放大和过滤。过去35年间，科学家在劳伦斯利弗莫尔国家实验室建设了另外3个激光熔合系统，然而它们都不能生成足够达到核子熔合的能量。第一个激光熔合系统——Janus在1974年开始运行，它产生了10焦耳能量。第二项试验在1977年实施，这个激光熔合系统被称作Shiva，它产生了10000焦耳能量。　　最后一项实验在1984年实施，这个被称作Nova的激光熔合项目产生了30000焦耳能量，这也是它的制造者第一次相信通过这种方法可以实现核子熔合。国家点火设施科研组制造的这个最新系统有望产生180万焦耳紫外线能量，科学家认为这些能量已经足以在劳伦斯利弗莫尔国家实验室里产生一个小恒星。　　7.磷酸盐放大玻璃　　磷酸盐放大玻璃　　国家点火设施包含3000多块混合着钕的磷酸盐放大玻璃，这是在熔合试验中用来增加激光束的能量的一种基本材料。这些放大玻璃板隐藏在密封的激光间周围的围墙里。　　8.技术人员在激光间里安装光束管　　技术人员在激光间里安装光束管　　技术人员在激光间里安装光束管，激光通过这些管会进入调试间。激光在调试间里会被重新改变运行路线，并重新排列，然后被输送到靶室里。　　9.紧急停运盘　　紧急停运盘　　在整个国家点火设施里，标明激光位置的紧急停运盘(emergency shutdown panels)，可在激光发射时，为那些在错误的时间站在错误的地方的科学家和技术人员提供安全保障。　　10.光导纤维　　光导纤维　　光导纤维(黄色电缆部分)把低能激光传输到能量放大器里。然后在通过混有钕的合成磷酸盐的过程中，利用强大的频闪放电管放大。　　11.能量放大器　　能量放大器　　能量放大器隐藏在天花板上的金属覆盖物下面，它含有可增大激光能量的玻璃板。在激光刚刚进入放大玻璃前，灯管把能量吸入玻璃里，接着激光束会获得这些能量。　　12.可变形的镜子　　可变形的镜子　　可变形的镜子隐藏在天花板上覆盖的银膜下面，这种镜子是被用来塑造光束的波阵面，并弥补它在进入调试间前出现的任何缺陷。每个镜子利用39个调节器改变镜子表面的形状，纠正出现错误的光束。你在照片中看到的电线是用来控制镜子的调节器的。　　13.激光放大器　　激光放大器　　激光束在进入主放大器和能量放大器前，较低前置放大器会放大激光束，并给它们塑形，让它们变得更加流畅。　　14.便携式洁净室　　便携式洁净室　　科学家利用一个独立的便携式洁净室(CleanRoom)运输和安置能量放大器和其他元件，这个洁净室就像用来装配微芯片的小室。　　15.能量放大器　　能量放大器　　每个能量放大器都被安装在洁净室附近，然后利用遥控运输机把它们运输到梁线所在处。　　16.技术人员校对能量放大器　　技术人员校对能量放大器　　从照片中可以看到，能量放大器在被放入梁线以前，技术人员正在对它进行校对。　　17.模仿NASA的主控室　　模仿NASA的主控室　　照片中的主控室看起来跟美国宇航局的任务控制中心很相似，这是因为前者是模仿后者建造的。国家点火设施并不是利用这个主控室把火箭发射到外太空，而是设法通过激光，利用它把恒星的能量(核子熔合)带回地球。　　18.光束源控制中心　　光束源控制中心　　光束源控制中心即已知的主控振荡器室，看起来跟数据中心(Server Farm)很像，但是这个控制中心不是利用电脑，而是安装了一排排架子。光束通过光纤前往能量放大器的过程中，看起来就像网络供应商使用的网络。　　19.国家点火设施的激光源　　国家点火设施的激光源　　国家点火设施的激光是从一个相对较小、能量较低，并且比较呆板的盒子里发射出来的。这个激光器呈固体状态，跟传统激光指示器没有多大区别，不过它们发射的光波波长不一样，前者是红外线，后者是可见光。　　20.高能灯管　　高能灯管　　高能灯管(flashlamps)跟照相机里的灯管一样，但是前者的体积超大，它可以用来激发激光。每束光束刚产生时，强度仅跟你的激光指示器发出的激光强度一样，但是它们在二十亿分之一秒内，强度就能曾大到500太拉瓦，大约是美国能量输出峰值时功率的500倍。　　这一结果是能实现的，因为该实验室里拥有巨大的电容器，里面储存了大量能量。这个电容器非常危险，当它充电后，这个房间将被封闭，禁止任何人靠近，以免出现高压放电现象，伤着来访的人。　　国家点火设施的外面看起来很像《半条命(Half-Life)》的拍摄现场，这种普通的外观掩饰了在里面进行的历史性科学研究。(孝文) 英刊揭秘世界最强激光产生过程(组图)　　导读：2009年4月，耗资达35亿美元的美国“国家点火装置”(NIF)正式开始进行相关实验，并计划于2010年最终实现聚变反应。届时会将192束激光同时照射在一个微小的目标上，是迄今世界上性能最强大的激光装置。英国《新科学家》杂志网站13日撰文揭秘世界最强激光产生过程。以下为全文：　　“国家点火装置”是美国国家核安全管理局(NNSA)的库存管理计划的关键环节。在受控实验室条件下，“国家点火装置”将进行聚变点火和热核燃烧实验，实验结果将为NNSA提供相关武器生产条件的实验手段。这些条件对NNSA在不开展地下核试验的条件下评估并验证核武库的工作至关重要。“国家点火装置”实验将研究武器效应、辐射输运、二次内爆和点火相关的物理学机理，并支持库存管理计划继续取得成功。“国家点火装置”是目前世界上最大和最复杂的激光光学系统，用于在实验室条件下实现人类历史上的第一次聚变点火。192束矩形激光束将在30英尺的靶室中实现会聚，其中靶室内含有直径为0.44厘米的氢同位素靶丸。发生聚变反应时，温度可达到1亿度，压力超过1000亿个大气压。　　以下是“国家点火装置”产生最强激光的几大步骤：　　1、安装球形外壳　　 　　安装球形外壳　　为了产生聚变所必须的高温和高压，“国家点火装置”将汇聚其所有192束激光束同时射向一个氢燃料目标之上。“国家点火装置”呈球形(如图所示)，直径约为10米，重约130吨。装置内有一个目标聚变舱，点火实验就发生于目标聚变舱内。整个球体由18块铝材外壳拼接而成，每块外壳均约10厘米厚。球体外壳上正方形窗口就是激光束的入口，而圆形窗口则是用来安装和调节诊断装置，诊断装置共有近100个分片。　　2、用调节器调整靶位　　 　　用调节器调整靶位　　这是目标聚变舱内部的照片。激光束通过外壳上的入口进入目标舱，把将近500万亿瓦特的能量瞄准于位置调节器的尖端。图中右侧的长形带有尖端的物体就是位置调节器，每次实验的目标氢燃料球就置放于尖端之上。当所有激光束全部投入时，“国家点火装置”将能够把大约200万焦耳的紫外线激光能量聚焦到小小的目标氢燃料球之上，它比此前任何激光系统所携带能量的60倍还要多。当激光束的热和压力达到足以熔化小圆柱目标中氢原子的时候，所释能量要比激光本身产生的能量更多。氢弹爆炸和太阳核心会发生这类反应。科学家相信，总有一天通过核聚变而不是核裂变会产生一种清洁安全的能源。　　3、将燃料放入燃料舱(圆柱体)　　 　　将燃料放入燃料舱(圆柱体)　　进入“国家点火装置”的所有192束激光束都将被引向图中这个铰笔刀大小的圆柱体。该圆柱体中将装有聚变实验所使用的目标燃料，目标燃料就是约为豌豆大小的球状冰冻氢燃料。实验时，激光束将通过各自窗口进入目标舱内，从各个方向压缩和加热氢燃料球，希望能够产生自给能量的聚变反应。曾经有不少科学家认为可控核聚变反应是不可能实现的。近年来，科学家找到了一些点燃热聚变反应的方法，美国研究人员找到的方法是利用高能激光。虽然科学家们也尝试了其他种核聚变发生技术，但从已完成的实验效果看，激光技术是目前最有效的手段。除激光外，利用超高温微波加热法，也可达到点燃核聚变的温度。　　4、压缩并加热燃料　　 　　压缩并加热燃料　　所有激光束进入这个金属舱内部时，他们将产生强烈的X光线。这些X光线不仅仅可以把豌豆大小的氢燃料球压缩成一个直径只有人类头发丝截面直径大小的小点，它还能够将其加热到大约300万摄氏度的高温。尽管激光的爆发只能持续大约十亿分之一秒，但物理学家们仍然希望这种强烈的脉冲可以迫使氢原子相互结合形成氦，同时释放出足够的能量以激活周围其他氢原子的聚变，直到燃料用尽为止。在激光点火装置内，一束红外线激光经过许多面透镜和凹面镜的折射和反射之后，将变成一束功率巨大的激光束。然后，研究人员再将该激光束转变为192束单独的紫外线激光束，照向目标反应室的聚变舱中心。当激光束照射到聚变舱内部时，瞬间产生高能X射线，压缩燃料球芯块直至其外壳发生爆裂，直到引起燃料内部的核聚变，从而产生巨大能量。　　5、用磷酸二氢钾晶体转换激光束　　 　　用磷酸二氢钾晶体转换激光束　　激光束在进入目标舱内之前，必须要先由红外线转换成紫外线，因为紫外线对加热目标燃料更为有效。激光转换过程必须要使用磷酸二氢钾晶体。图中的这块磷酸二氢钾晶体重约360公斤。首先将一粒籽晶放入一个高约2米的溶液桶中，经过两个月的培养才可形成如此巨型的晶体。然后将晶体切割成一个个截面积约为40平方厘米的小块。“国家点火装置”共需要大约600多块这样的晶体小块。“国家点火装置”将被用于一系列天体物理实验，但是，它的首要目的是帮助政府科学家确保美国“老年”核武器的可靠性。“国家点火装置”项目的建造计划于上世纪90年代早期提出，1997年正式开始建设。(刘妍)

据美国《大众科学》网站8月16日(北京时间)报道，一国际科研团队研制出一种新的阿秒级(1阿秒=10-18秒)激光器，当单个电子参与化学反应时，这种激光器或可为其“摄像”，这是迄今为止最高清、最快速的数据收集活动。一旦取得成功，新激光系统将对从基础化学到复杂的药物研究、化学工程学等领域产生巨大影响。相关研究发表在《自然光子学》杂志上。　　该科研团队由澳大利亚、美国、欧洲的科学家组成。科学家们表示，拍摄下电子的“一举一动”并非易事，因为电子的运行速度非常快，在1.51阿秒内就能环绕一个氢原子核旋转一周。为了捕捉到正在活动的电子，人们需要一种能在阿秒层面上发送脉冲的激光器。　　此前已有科学家研制出并演示了阿秒激光脉冲，但那些脉冲非常微弱，无法真正测量电子的动态，真正有用的阿秒激光器需要兼具高速度和强脉冲密度。新激光系统满足了这两个需求，并且只需简单的环境设置就可完成任务。　　为了获得超强的激光脉冲，人们需要将不同频率的光波精确地混合在一起，使它们能互相加强。知易行难，因为很难让两种不同的激光束精确地同步。为了克服这个问题，科学家们构建了一套环境装置，让单束激光通过一个射束分离器，产生两束不同频率的激光。因具有相同来源，这两束激光能够实现同步。　　科学家们还采用了其他辅助手段，让激光脉冲达到了阿秒规模的测量所必需的激光脉冲密度和持续时间。借此，人们能以前所未有的方式观察单个电子的活动。