超强激光光源及其应用

K. Nakajima, Nature Phys. 4, 9293 (2008).
Laser Proton Knife （激光质子刀）
Laser
＋
Proton
Cancer
Courtesy of K. Nakajima
Laser driven betatron radiation
When an electron is injected in the ion cavity, it is submitted not only to the accelerating force, but also to a restoring transverse force, resulting in its wiggling around the propagation axis. Because of this motion, the electron radiates x-rays.
Schematic layout of Shanghai Super Intense Laser Source (SSILS)
中国至2050年重大科技基础设施发展路线图
wenku.baidu.com
第五章 多学科研究平台 第三节 极端条件实验平台
主要科学目标
激光加速：面向100GeV 真空结构研究：面向Schwinger场 阿秒科学：1-10keV相干X射线 光核物理：利用光子研究原子核
Nature, 431, 541( 2004)
∆E/E ~ 6%
∆E/E ~ 3%
Nature, 431, 535 ( 2004)
Nature, 431, 538 ( 2004) 15
First GeV mono-energetic electron beams
(LBNL+Oxford @2006)
5
High field laser science
New life into hopes for laser fusion
Biomedical advances Leads to Nobel Prizes
国际PW激光系统研制总结（截止2013年）
1PW= First PW laser (glass laser) 1.5PW, OL 24, 160(1999) 1015 W 2.0 PW[13]
0.5PW×2[3] 0.2 PW[11]
[1-7] and [13]: fs, PW laser at 800 nm [8-12]: ps, PW laser at 1053nm
Extreme Light Infrastructure Project (850M Euro)
ELI-Beamlines Facility
国际首次通过两级级联的激光加速获得GeV级准单能电子束
[Phys. Rev. Lett. 107, 035001 (2011)]
驱动激光
我们在国际上率先发表了级联激光电子加速的实验突破，著名 的美国两大国家实验室（即 LLNL和 LBNL ）随后也相继报道了 类似实验结果，但仅获得0.5GeV的电子束。
Single shot phase contrast imaging of biological samples
Fourmaux, S., et al., 2011, Opt. Lett. 36, 2426.
Kneip, S., et al., 2011, Appl. Phys. Lett. 99, 093701.
[1] Opt. Lett. 28, 1594 (2003) [2] Opt. Express 15, 15335 (2007) [3] Opt. Express 16, 8039 (2008) [4] Opt. Lett. 36, 3194 (2011) [5] APLS2012, I2.9 (2012), Laser Phy. Lett.10 (2013) [6] Opt. Express 20, 10807 (2012) [7] Opt. Lett. 37, 1913 (2012) [8] IOP,112, 032006 (2008) [9] Appl. Opt. 49, 1676 (2010) [10] OPN 16(7) 30 (2005) [11] IOP,112,032021(2008) [12] SPIE 8780,878003 (2013) [13] Opt. Express 21, 29231(2013)
[Nature 506, 343(2014)]
激光领域2020年五大梦想
• • • • • 产生纳米尺度光束应用于显微和存储 基于激光的超精密钟用于测量宇宙基本常数 激光聚变产生取之不尽的无碳能源 阿秒脉冲探测电子运动和化学反应 台式化高能电子、质子加速器
First mono-energetic electron beam generation ( 0.1GeV@2004) ∆E/E ~ 10%
光耀中华 创新圆梦 2015年国际光年报告会
浅谈 超强激光光源及其应用
李儒新 中科院上海光机所 2015年1月11日
《自然》新十年第一期专文预测（2010年1月7日出版） 2
2020年重要科学领域的趋势及挑战
到2020年激光领域可能 取得五大突破
① 产生纳米尺度光束 应用于显微和存储 ② 基于激光的超精密 钟用于测量宇宙基 本常数 ③ 激光聚变产生取之 不尽的无碳能源 1 4
* NewScientist April 9, 2008
年份
这项工作将影响每一项研究， 从聚变到天体物理
激光实验室为拍瓦展开竞赛 全世界激光实验室展开拍瓦级激光竞赛
Petawatt (拍瓦, 1015瓦)
相当于在 <10-13 秒的瞬间有超过世 界电网平均功率100倍的瞬时功率
SCIENCE 301, 154( 2003)
3
④ 阿秒脉冲探测电子 运动和化学反应
⑤ 台式化高能电子、 质子加速器
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激光领域2020年五大梦想
• • • • • 产生纳米尺度光束应用于显微和存储 基于激光的超精密钟用于测量宇宙基本常数 激光聚变产生取之不尽的无碳能源 阿秒脉冲探测电子运动和化学反应 台式化高能电子、质子加速器
高峰值功率激光的发展历程与新领域的开拓
超强超短激光：
峰值功率> 1TW(1012W)
脉冲宽度<100 fs (10-15s )
电子特征能量 电弱相互作用 时代
1Pev
夸克时代
最大光强已达 2×1022W/cm2
宇宙中 -爆对应的 光强1020W/cm2 *
1Tev
正负电子对 时代
1Mev
等离子体 时代
1ev
原子时代 OPN July(2011) Science 331, 41 (2011)
1. 2. 3. 4.
High peak spectral brightness Ultrashort duration Very small source size fs synchronization in pump-probe experiments
1 × 1023 photons s-1 mm-2 mrad-2 per 0.1% bandwidth at 10 keV.
2 10PW, 2017
ELI-Attosecond Facility
In Hungary, Szeged, the ELI pillar will be dedicated to extremely fast dynamics by taking snap-shots in the attosecond scale (a billionth of a billionth of second) of the electron dynamics in atoms, molecules, plasmas and solids. It will also pursue research in ultrahigh intensity laser. www.eli-hu.hu Approved May 2014
All-optical Compton gamma-ray source
with a 10,000-fold increase in brightness over Compton X-ray sources based on conventional accelerators, as a result of the micrometre-scale source size and the femtosecond duration.
Laser: a 0 ~ 1.46 (40 TW, 37 fs) Capillary: D = 312 µ m; L = 33 mm Plasma density ~2.71018cm-3
1 GeV beam, energy spread 2.5 %
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W. P. Leemans et al., Nature Physics, 2, 696(2006)
激光领域2020年五大梦想
• • • • • 产生纳米尺度光束应用于显微和存储 基于激光的超精密钟用于测量宇宙基本常数 激光聚变产生取之不尽的无碳能源 阿秒脉冲探测电子运动和化学反应 台式化高能电子、质子加速器
激光聚变
SCIENCE 324, 326-330（2009）
美国LLNL采用高足脉冲方案，部分解决了流体力学不稳定性问题 ，2013年9月底取得重大突破，中子产额达到5.1×1015 特别是首次观测到粒子加热对聚变产额提升的显著作用并首次 在聚变燃料区域实现聚变增益大于1的里程碑式进展
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Downsize kilometer-range X-ray FEL to a table-top scale
LINAC COHERENT LIGHT SOURCE
700 m
10 m ?
Features of table-top X-FEL
Smaller size and lower cost ： km 10 m Shorter pulse：100 fs 10 fs Stable seeding effect ： synchronization between e beams and seeded HH Synchronization between fs laser and X-FEL: satisfy the ultra fast pump-probe study
In the Czech Republic, Prague, the ELI pillar will focus on providing ultra-short energetic particle (10 GeV) and radiation (up to few MeV) beams produced from compact laser plasma accelerators to users.www.eli-beams.eu
1.5 PW[6]
1.26 PW[5] 1.1PW[9] 0.85 PW[1]
1.16 PW[4]
1PW[12] 0.56 PW[7]
1PW[10] 0.89PW[2] 1PW[8]
■ SIOM(China) [2, 5,13] ■ APRI(Korea) [6] ● IOP(China) [4] ▼ JAERI(Japan) [1] ▲ THALE (France) [7] ▼ FLEX(Japan) [8] ★ RAL (UK) [3] Texas (US) [9] ◆ Omega EP (US) [10] LULI2000(France) [11] Vulcan(UK) [12]
Nature 489, 351, Sept. 20, 2012
• €236 million
10Hz, 10PW, 2017
ELI-Nuclear Physics Facility
In Romania, Magurele, the ELI pillar will focus on laser-based nuclear physics. For this purpose, an intense gamma-ray source is forseen by coupling a high-energy particle accelerator to a high-power laser.www.eli-np.ro • €356.2 million