专题十、强激光与应用——第二十四届全国激光学术会议暨第十五届全国激光技术与光电子学学术会议

专题十、强激光与应用

来源：yangyue 发布时间：2020-07-07 11:55

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强激光伽马光源及其应用

黄永盛
中国科学院高能物理研究所

摘要：高平均功率的强激光与传统加速器优势结合，可产生高亮度的波长可调的伽马光源。如果在电子束与激光对撞之前进行聚焦，可获得小焦斑的伽马光源，为后面成像提供微焦的高亮度光源。0.5MeV强激光伽马光源可用来做无损检测。高能的10-30MeV的伽马光源可用来开展激光核物理的研究。如果可以得到高频的高亮度伽马束，可以实现伽马光子对撞机，开展粒子物理研究。强激光伽马光源可应用与粒子物理与核物理、凝聚态物理以及工业材料等应用领域，具有重要的科学意义和应用价值。

简介：黄永盛，2009年博士毕业于清华大学工程物理系，中国科学院高能物理研究所,研究员。研究方向：激光核物理、粒子探测技术。主要工作和获得的成果：多年来从事强激光驱动产生高性能粒子束、激光核物理以及γ探测技术的研究，先后参加了超强光场驱动的高性能高能粒子束的产生及其应用开拓、γ光探测器、γγ对撞机及北京高亮度激光康普顿γ光源等方面的研究工作，在国内外学术杂志和会议上发表论文四十余篇，获得中国核工业集团科学与技术奖励三等奖。目前开展基于BEPCII的高亮度激光逆康普顿光源、CEPC同步辐射光源及其应用开拓、γγ对撞机的设计与研制、粒子探测器设计与研发。

激光冲击压缩下材料响应特性的微介观原位研究

胡建波
中国工程物理研究院流体物理研究所

摘要：材料微结构的实时演化行为是决定其动态响应的关键因素。从微介观尺度解读材料的冲击压缩行为，揭示不同应力场作用下微结构演化及其相互作用对材料动态性能的影响，是多尺度建模的基础。大型激光装置作为集加载和诊断能力为一体的综合实验平台，为高温、高压、高应变率等极端条件下材料动态性能的微介观尺度研究提供了重要支撑。本研究利用强激光打靶产生的高亮X射线脉冲作为探测光，开展了材料在激光冲击压缩下相变动力学、塑性变形等物理和力学过程的实时原位研究，获得了动态压缩下材料相变和变形的微观机理，为建立材料在极端条件下动态响应模拟预测能力提供了重要的支撑。

简介：胡建波，男，浙江东阳人，研究员，博士生导师。2012年博士毕业于日本东京工业大学，2012年-2016年在美国加州理工学院从事博士后研究，2016年进入中国工程物理研究院流体物理研究所工作至今。目前主要从事动态加载下材料动力学行为的微介观研究，利用时间分辨X射线衍射技术、超快电子成像技术等先进诊断技术研究材料在动态加载下的微结构演化。

激光聚变六孔球腔系列验证实验

蓝可
北京应用物理与计算数学研究所

摘要：在间接驱动惯性约束聚变(ICF)中，黑腔提供给靶丸点火所需的高度均匀的辐射驱动源，这是实现ICF点火的先决条件。美国国家点火装置点火攻关失败，主要原因是柱形黑腔难以提供靶丸所需的球对称辐射驱动源。我们在国际上创新提出六孔球腔球对称辐射驱动源的构型、原理与设计，理论上可获得辐照不均匀度降至0.1%、完全满足点火要求的球对称辐射场。针对球对称辐射驱动源的关键物理设计，开展实验验证至关重要。本报告将介绍我们在神光装置上所开展的有关球对称辐射驱动源关键物理设计系列物理分解实验，包括球腔能量学实验、柱口对球腔中激光传输改善验证实验、球腔与柱腔的激光-等离子体不稳定性对比实验、六孔球腔综合内爆实验等等。所有验证实验在神光装置上均得以成功实施，所获实验结果与理论预期一致，成功验证了球对称辐射驱动源的关键物理设计。

简介：1995年于中国工程物理研究院研究生部获博士学位；2001-2002年在法国奥尔良大学GREMI实验室做博士后；2002-2003年在德国慕尼黑Max-Planck量子光学研究所做洪堡基金学者；2003-至今：北京应用物理与计算数学研究所研究员。主要兴趣：激光聚变、X光激光、Z箍缩、辐射输运。作为第一作者或主要作者，在Physical Review Letters, Physics of Plasmas, Laser and Particle Beams, Eur. Phys. J. AP, Matter and Radiation at Extremes等杂志上发表文章80余篇。

强场光学中相干光场的时空测量与控制

李政言
华中科技大学

摘要：超快超强激光脉冲通过高次谐波、等离子体尾场等机制可以产生飞秒脉冲宽度的高能电子、极紫外、X射线等相干辐射，是强场光学重要研究领域，作为潜在的台式化辐射源具有重要应用。对超快超强激光脉冲，以及产生的相干极紫外和X射线飞秒甚至阿秒脉冲进行时空结构的测量和控制，有利于深入研究激光与气体和等离子体相互作用机理，优化高次谐波的输出品质，并对输出的相干极紫外和软X射线辐射源进行表征与控制。在泵浦探测实验中对探测激光的时空结构进行单发测量，可以在线表征微米尺度等离子体结构的动态演化规律，观测少周期激光驱动的等离子体尾波加速电子过程。

个人简介：李政言，华中科技大学光学与电子信息学院教授、博导。总体研究方向是强场激光物理，主要研究激光等离子体尾波电子加速和激光高次谐波。具体研究内容是激光等离子体尾波结构的光学诊断和少周期激光尾波MeV电子加速机制，以及高次谐波和阿秒脉冲的光场时空结构表征与控制。研究成果包括发表在Phys. Rev. Lett., Nat. Commun., Opt. Lett.等学术期刊上的论文20余篇。

超强激光驱动的轻子极化效应

栗建兴
西安交通大学

摘要：随着强激光技术的快速发展，非线性康普顿散射已经被广泛应用于新型高亮度伽玛光源制备，然而此机制中粒子自旋信息传递机理的不明确是制约其在制备偏振伽玛射线方面发展的关键难题。针对此问题，基于课题组前期电子自旋极化理论，我们发展了包含电子自旋和光子偏振的非线性康普顿散射理论，揭示了强激光场中辐射引起的粒子自旋信息传递机理，提出了基于强激光的高能偏振高亮度伽玛光源制备方法，在现有激光条件下可以产生GeV高亮度偏振伽玛光源，偏振度高达95%以上且单发次产生的光子数可以满足真空双折射效应探测需求。此外，光子偏振严重影响多光子Breit-Wheeler对产生概率，基于此我们提出了新型光子偏振探测方法。

简介：栗建兴，2011年博士毕业于南开大学，2011年至2017年在德国马克斯-普朗克核物理研究所C. H. Keitel教授领导的量子电动力学研究组开展博士后研究，2017年受聘西安交通大学理学院教授。主要研究领域：强激光驱动的QED效应及其应用。在量子辐射效应理论验证、阿秒伽马光源产生机理、拍瓦多周期激光脉冲载波相位探测方法、强激光驱动的轻子极化效应等方向取得一系列进展。目前在本领域知名学术期刊发表论文30余篇，其中包括第一和/或通讯作者Phys. Rev. Lett.论文5篇。

面向应用的超短超强激光与桌面加速器

鲁巍
清华大学

摘要：近年来，超短超强激光技术与基于超短超强激光的激光加速研究发展迅猛，有望为激光与加速器的应用带来革命性的变化。实现超短超强激光技术与激光加速器实用化的关键挑战之一是发展具有工业级稳定可靠性的新一代超紧凑超短超强激光器技术。本报告将简要介绍近年来我们在发展新一代超紧凑工业级超短超强激光器方面取得的重要进展（与国际主要厂商AT、Thales相比，尺度大幅缩小，可靠性大幅提升的超紧凑1-50TW一体机），并简要讨论可能的相关应用。

个人简介：鲁巍，清华大学教授，激光加速领域国际知名专家，入选国家杰出青年、万人计划领军、长江特聘教授等人才计划。曾获激光加速领域首届John Dawson论文奖（2007）、国际纯粹与应用物理联合会IUPAP青年科学家奖（2014，首位激光等离子体物理获奖者）、首届亚太物理联合会等离子体物理青年科学家奖（2016）、首届蔡诗东等离子体物理杰出贡献奖（2019）。在Nature、Nature Photonics、PRL等杂志发表重要论文近40篇，引用近5500次。多次主办相关领域重要国际会议，长期担任组委会、顾问委员会成员等职务。

高功率纳秒激光技术及精密探测

邱基斯
中国科学院空天信息创新研究院

摘要：高功率纳秒激光统筹考虑了重复频率、能量和光束质量等主要指标，是众多精密探测装备的核心技术。项目组掌握了高功率纳秒激光相关关键技术，研制了单频种子源、大口径/尺寸放大模块、相位共轭镜等国产化核心器件，在国际上首次实现了脉宽6.6ns、重频200Hz、能量5J、光束质量1.7DL的激光输出，基于该类激光器实现了对轨道高度1270公里、尺寸36厘米的空间碎片探测和对磁约束聚变装置等离子体时间分辨率5毫秒、空间分辨率5毫米的精确诊断。

个人简介：中国科学院空天信息创新研究院研究员，是国家万人计划青年拔尖人才、高聚工程-中关村高端领军人才、北京市青年拔尖人才、海英人才，国家科技部重点领域创新团队核心成员，《中国激光》青年编委。主要从事全固态激光与激光放大技术研究，成果主要应用于惯性约束核聚变激光驱动装置和各种精密探测仪器中。获国家技术发明二等奖（排名第2）、中国科学院杰出科技成就奖(突出贡献者)、共和国成立70周年纪念章等。先后主持或作为技术总师参与国家重大专项、国家重大科研装备研制项目、国家863计划项目、自然基金面上项目10余项。瞄准国家重大科研项目和工程项目需求，专注于核心技术攻关及工程应用，科技成果成功产业化，形成多种激光产品，推广应用到中物院、中航工业集团等10余家单位。发表论文20余篇，授权发明专利27项。

强激光驱动的大能量太赫兹光源

廖国前
中国科学院物理研究所

摘要：不同波段的新型超快辐射源可为多领域前沿研究提供更全面、更创新的工具。对于由微观光子学向宏观电子学过渡的太赫兹波段，目前的强脉冲光源主要基于非线性光学晶体或传统大型加速器，脉冲能量难以超过1毫焦。相比之下，等离子体没有光学损伤问题；强激光与固体密度等离子体作用可以加速大电量的超短电子脉冲，从而突破现有太赫兹光源在能量提升方面遇到的技术瓶颈。本报告将介绍相对论强激光辐照固体靶产生大能量太赫兹脉冲的研究进展，包括其中的物理机制、性能指标以及应用展望等方面。

个人简介：廖国前，中国科学院物理研究所特聘研究员，博导。2016年获中国科学院大学等离子体博士学位，曾先后在上海交通大学和英国卢瑟福实验室工作。长期从事强光和物质相互作用研究，尤其是强激光驱动的太赫兹辐射及其应用。迄今在PNAS、PRL等学术期刊上发表论文40余篇。

飞秒强激光驱动光栅结构靶相干EUV辐射

宋海英
北京工业大学

摘要：应用飞秒强激光与物质的相互作用诱导高次谐波辐射是目前获得相干极紫外（EUV）光源或X射线源的有效途径，结合时间分辨泵浦探测技术即能进行纳米级空间分辨率的静态和动态微结构衍射成像以及各种物质形态中内核电子的超快动力学过程。然而，通过高次谐波辐射形成能满足各类应用需求的EUV光源，除要求较高的谐波转换效率，稳定、干净和可汇聚性的谐波发射是形成光源技术的必要条件。本报告基于准相位匹配方案，提出光栅结构表面波导的原子气态介质靶和光栅结构表面的固体靶设计，研究两种靶型在飞秒强激光驱动下的高次谐波（EUV）辐射，在实验上通过光栅结构平面波导气体靶获得了7纳米的干净、稳定的有效发射；在PIC模拟上通过光栅结构固体靶获得了具有可调控性的EUV定向发射。

个人简介：宋海英，博士，副研究员，一直从事超短脉冲强激光与物质的相互作用、强场物理、超快光子学、以及微纳光学与技术等基础和应用的研究。

激光加速自旋极化电子及质子束

温猛
湖北大学

摘要：通过激光等离子体加速中粒子的经典自旋动力学效应，我们首次研究了预极化气体靶中激光尾波加速和磁涡流加速机制下得到自旋极化电子束及质子束的方案。激光驱动的高能自旋极化粒子束可望在传统加速器得到的自旋粒子束的基础上，把束流强度提高四个量级以上。该机制包括卤化氢气体靶在圆偏振UV光中光解产生极化原子气体的过程，以及后续的红外激光驱动的电子加速和离子加速。通过PIC模拟，我们证明激光加速过程中粒子在等离子体场中进动造成的电子束和离子束的退极化程度均可控制在20%以内。

个人简介：温猛，副教授，湖北大学。2005年在中山大学获得学士学位，2010年在中科院上海光机所获得博士学位；2010年至2013年在北京大学，以及2013年至2019年在德国马普核物理所从事博士后研究。从事的研究领域包激光等离子体物理，激光粒子加速，经典自旋模型及等离子体中的自旋动力学效应等。

固体密度等离子体中高强度阿秒脉冲辐射的研究

徐新荣
国防科技大学

摘要：阿秒辐射源具有超短的波长（XUV/X射线波段）和超窄的脉冲宽度（〖10〗^(-18) s）,是探测和操控电子动力学行为的一种重要工具。通过超强激光驱动等离子体产生的表面高次谐波已被证实是实现阿秒脉冲的一种有效来源，但是由于固体密度的等离子体靶对激光反射强烈，谐波辐射效率很低。对此，我们理论提出阿秒脉冲辐射的最佳靶参数条件，通过数值模拟研究证实当满足最佳条件时，激光能量可有效转移给靶电子，进而转换成高强度的阿秒脉冲。此外，我们提出利用双纳米靶实现孤立高强阿秒脉冲辐射的创新方案。通过双靶密度、厚度和间距的调节，可在增益辐射电子层能量的同时，达到对谐波辐射过程的有效调控，最终实现多周期激光驱动下孤立、高亮阿秒脉冲辐射。

个人简介：徐新荣，山西汾阳人，2013年本科毕业于西北大学，2018年博士毕业于北京大学，导师乔宾教授。2018年入职国防科技大学。主要从事超强激光驱动的高次谐波辐射和阿秒脉冲研究，目前共发表SCI论文10篇。作为负责人主持湖南省青年基金和国防科技大学科研计划项目。

低相干激光驱动器技术研究进展

高妍琦
中国工程物理研究院上海激光等离子体研究所

摘要：高功率激光是实现高能量密度状态的主要加载源之一，其已成为惯性约束聚变、材料物性等众多研究领域最为重要的实验手段。随着装置输出能力的不断提升，传统高功率激光装置输出光束所具有的高相干特性带来的负面影响正在逐步凸显，如SRS、SBS、CBET等问题。低相干激光驱动器技术有望从根本上解决上述问题；本报告从靶区焦斑分布的时空演化特性出发，首先给出低相干激光驱动器与现有高相干激光驱动器本质区别；之后分别讨论如何获得具备精密时间和光谱调节能力的低相干光源、如何实现低相干光的高效和大能量放大、如何实现低相干光的高效谐波转换、低相干光束匀滑的特性等。

个人简介：高妍琦，男，副研究员，上海激光等离子体研究所第一研究室主任，主要从事激光聚变研究所需的激光驱动器系统及单元技术研究。近年来，带领团队聚焦导致国际激光聚变点火受阻的关键问题之一：激光高相干性导致的激光等离子体不稳定性恶化问题，大胆创新、集智攻关，提出了一种全新的驱动器技术路线——低相干激光驱动器。经过多年攻关，已取得了从低相干源的产生、低相干脉冲的传输放大、低相干脉冲的高效倍频、到低相干脉冲的束匀滑等多项技术突破，在此基础上，建成世界首台也是目前唯一一台千焦级低相干激光驱动器装置。目前已在Optics Letters、Optics Laser and Technology、IEEE Photonics Technology Letters、MRE等期刊发表文章40余篇，相关研究成果多次在国内外重要学术会议中进行报告。

10J-50Hz Nd：YAG纳秒激光器研制进展

蒋新颖
中国工程物理研究院激光聚变研究中心

摘要：由于重频大能量脉冲激光在科学研究、工业加工、国防建设等领域具有广泛的应用前景，世界多家著名研究机构都在开展该技术的研究。目前公开报道的单脉冲能量10J-100J的大能量脉冲激光器的重复频率为10Hz量级，尚不能满足更高重频的应用需求。我们基于Nd:YAG放大链的技术路线在重频提升方面开展了研究。针对50Hz运行时热效应更严重的问题，分析了热效应带来的热焦距与像散的变化情况，测试了50Hz泵浦时的放大介质温度分布、激光增益、波前畸变等参数。测试了全链路热致波前畸变，测试结果表明主要的分量是离焦和像散。通过调节空间滤波器补偿离焦以及调整放大器机械结构的方式补偿像散，将输出激光的波前畸变控制到了＜1.6λ（λ=1064nm）。开展了8个放大器输出实验，泵浦50Hz时输出能量10J，能量稳定性RMS＜1%（100s）。

个人简介：蒋新颖，女，博士，高级工程师。从事高平均功率脉冲激光技术研究。

基于激光等离子体加速器的极高亮度GeV 伽马射线

朱兴龙
上海交通大学

摘要：超亮伽马射线源在基础科学、工业、医疗等领域中具有重要的研究意义和广泛的应用价值。目前，高亮度辐射源主要是通过大型同步辐射装置和 X 射线自由电子激光来产生。但是，所获得的辐射光子能量范围一般只有 keV 至百 keV 量级。此外，这些大科学装置的高昂造价和超大尺寸限制了其数量和应用范围。为了解决这一难题，我们提出了一种利用两级激光等离子体加速器产生极高亮度 GeV 伽马射线辐射的新方案，使得光子辐射过程由经典Betatron 辐射机制转变为以 QED 效应为主导的量子辐射新机制。该方案有望使得伽马射线源的峰值亮度推向自由电子激光亮度范畴、光子能量拓展至GeV 量级，这将为广泛的科学研究与应用带来新的机遇。

个人简介：朱兴龙，上海交通大学博士研究生，2015年硕士毕业于国防科学技术大学， 2018年赴英国思克莱德大学访问。目前从事于相对论激光等离子体相互作用物理及其应用研究，主要涉及超强激光驱动粒子加速、新型辐射源、强场QED等方面的研究。以第一作者共发表SCI学术论文9篇（包括1篇Nature Communications，1 篇Science Advances，1篇Light: Science & Applications），合作发表SCI学术论文3 篇，引用200次左右，H因子6（Web of Science查询），担任New J. Phys., PPCF, PoP 等多个国际SCI学术期刊的审稿人。曾获2015-2017年度中国辐射物理领域“十大科技创新进展”（集体），2018年度英国物理学会(IOP)中国高被引作者奖(物理领域)。

基于多程放大构型的皮秒高能拍瓦激光系统技术研究进展

姜有恩
中国科学院上海光学精密机械研究所

摘要：皮秒高能拍瓦激光系统在高能密度物质状态诊断、高能粒子加速、和快点火物理实验研究等方面具有独特的优势。系统的输出能力、信噪比、聚焦功率密度、打靶精度、以及反激光隔离能力，是皮秒高能拍瓦激光系统研制所面临的五大技术挑战。针对上述技术难点，本文汇报了中国科学院中国工程物理研究院高功率激光物理联合实验室在基于多程放大构型的皮秒高能拍瓦激光系统上，取得的最新技术研究进展。

个人简介：姜有恩，男，副研究员，中科院青促会会员，中科院上海光机所高功率激光物理联合实验室前端组副组长。目前主要从事高功率激光驱动装置集成相关的技术研究。曾先后完成较大口径的体位相调制器技术，并作为项目核心技术之一获得2012年军队科技进步二等奖一项（排名第五）；负责完成国际合作项目NLF激光装置前端系统的研制工作；完成基于飞秒激光微加工结合二氧化碳激光热烧蚀匀滑的光学元件损伤修复技术验证与考核。发表论文20余篇，授权发明专利10项。

基于等离子体的超短脉冲放大与压缩技术研究

吴朝辉
中国工程物理研究院激光聚变研究中心

摘要：基于等离子体的超短脉冲放大和压缩技术有望突破现有材料损伤的瓶颈，而成为面向EW(1018 W)的关键技术。目前主流的等离子体压缩技术为等离子体背向拉曼放大技术(BRA)，其主要原理为通过等离子体波把长脉冲泵浦光的能量转移到短脉冲逆向而行的种子光中。针对BRA技术中存在的转换效率低下的问题，我们开展了大量的理论和实验工作。理论上，我们系统研究了热效应带来的影响，认为泵浦光加热为BRA转换效率低下的主要原因。实验上则通过降低热效应使得单程转换效率由3.2%提高到5.1%，并完全消除了热噪声。最后，我们提出了一种新型前向拉曼放大技术。理论分析表明：通过控制泵浦光和种子光的群速度可以使得前向拉曼放大实现超短脉冲压缩。由于前向拉曼放大对抗等离子体热效应大大优于背向拉曼放大，有望克服等离子体热效应带来的影响。

个人简介：吴朝辉，2015年获得南京理工大学光学工程博士学位，2016-2019于美国普林斯顿大学MAE系开展博士后工作，目前中物院激光聚变研究中心助理研究员, 主要研究方向为等离子体光学和超短脉冲技术。在Phys. Plasmas, Laser Phys. Lett., Optics Lett.等期刊发表SCI论文20余篇，论文多次被Physical of plasma选为editor’s picks。

超强涡旋激光的角动量效应研究进展

张晓梅
上海师范大学

摘要：涡旋激光的波面为螺旋状，强度分布则是中空结构，其重要特点是具有轨道角动量（OAM）。相对论高斯激光作用在“光扇”结构靶上时，可产生带有OAM的超强涡旋激光，这一方案突破了传统光学方法的损伤阈值限制，把涡旋光的研究推进到了超强激光领域。超强涡旋激光作用在等离子体靶上时，可产生高强度、短波长、高角量子数的涡旋高次谐波。本报告将介绍我们在相对论涡旋激光与等离子体靶相互作用方面的最新研究进展，包括可调谐涡旋高次谐波产生、高阶相对论涡旋激光产生、横向轨道角动量涡旋光束产生以及涡旋激光在不均匀密度靶中的传输特性等。

个人简介：张晓梅，中科院上海光机所博士毕业，国家优秀青年基金项目获得者，现任上海师范大学研究员。主要从事强场条件下相对论激光与等离子体相互作用研究工作。作为重要贡献者之一开拓了相对论涡旋激光与等离子体相互作用、强激光光压驱动离子加速这两个重要前沿方向，提出的重要理论结果被多个国际著名实验室证实。发表论文70余篇，被引1000余次。