头部白癜风治疗 http://m.39.net/disease/a_7057267.html

引言

在上期的文章中，我们向读者介绍了美国国家实验室的运行逻辑和机构定位，同时概述了受美国国家能源部(DOE)核安全管理局资助，在激光研究领域内大放光彩两大国家实验室的运行和科研概况。书接上回，我们将继续美国国家实验室的探访之旅，这次，我们将向读者朋友重点介绍隶属于DOE科学办公室(OfficeofScience)旗下的三大科研巨头，并向大家介绍这些实验室近年来在激光领域所取得的成就。

开辟微观世界探索之路的先驱者：SLAC国家加速器实验室

宇宙无边无际，但其中的物质组成方式却存在一定规律，通过对微观粒子的研究，人类有望掌握宇宙中物质的形成模式，进而实现探索宇宙起源的愿景。近代以来，有无数的实验室为探索微观世界的奥秘而成立，其中SLAC国家加速器实验室(SLACNationalAcceleratorLaboratory)作为最早被人类建立的大型实验中心，是微观世界探索之旅中当之无愧的先驱者。为实现对微观粒子的研究，年，由美国能源部牵头资助，一个代号为“M”的项目开始在斯坦福大学西侧的山丘上动工，该项目的设计师将正在建设的建筑亲切地命名为“怪兽”，因为它将具备加速电子至光速的恐怖能力，并将为人类打开一扇识别、研究亚原子粒子的大门，而这个长达两英里的“怪兽”，就是SLAC国家加速器实验室的前身：斯坦福直线加速器中心(SLAC,StanfordLinearAcceleratorCenter)，直到年，SLAC才正式更名为SLAC国家加速器实验室。SLAC的首任主任是著名物理学家潘诺夫斯基(WolfgangK.H.Panofsky)，他主导了SLAC装置的主要建设工作，并为SLAC的初期研究定下了基调。

图1SLAC国家加速器实验室远景

(图源：StanfordUniversity)

目前SLAC国家加速器实验室的研究工作，以高能激光及电子加速装置为主要研究手段，围绕X射线和超快科学、天体物理、粒子加速器、生物学以及新能源等多个具体的技术领域展开，旨在探索宇宙运行的奥秘。近年来，SLAC国家加速器实验室在激光技术领域取得了许多里程碑式的成就，其中最重要的，莫过于年7月，升级后的硬X射线自由电子激光器(XFEL,X-rayfree-electronlaser)首次出光。早在年，世界上第一台硬XFEL装置便在众多研究人员的努力下被设计、制造了出来，当XFEL面世后，SLAC的直线加速器相干光源(LCLS,LinacCoherentLightSource)便拥有了高亮X射线的能力：LCLS所能输出X射线的亮度，是传统光源的十亿倍；年的升级版XFEL，则主要用于适配全新的LCLS-Ⅱ装置，旨在获得输出功率被提高数千倍、重频在兆赫兹(MHz)量级的X射线脉冲激光输出，使得终端工作站能够精准捕获到化学键的诞生过程，产生具有原子量级分辨率的图像。升级版XFEL出光，意味着人类在微观世界的探索之旅中迈出了历史性的一步，诸多基础学科的理论研究将迎来新一轮的革新。值得一提的是，这项工作是SLAC国家加速器实验室、劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL,LawrenceBerkeleyNationalLaboratory)以及阿贡国家实验室(ANL,ArgonneNationalLaboratory)共同合作的成果，是DOE旗下实验室通力合作的研发范例。LCLS的实验室主任迈克·邓恩（MikeDunne）评价到：“这项工作（XFEL出光）意味着X射线新科学时代的开启，而未来的发展之路，也将如升级后的X射线那般明亮”。

图2一名工人正在检查SLAC国家加速器硬X射线装置

(图源：SLACNationalAcceleratorLaboratory)

此外，SLAC国家加速器实验室对于高能激光器的应用需求，也从侧面揭示出超强激光在微观探索领域中的发展潜力：年7月，SLAC国家加速器实验室对拍瓦(PW)量级“超级激光器”的研发项目正式获得了DOE的批准，具备超强功率的激光，将助力升级版极端条件物质探究项目(MEC-U)的进行。而这笔订单最终在今年3月，被劳伦斯利弗莫尔实验室拿下。从这一系列事件中，我们容易发现SLAC对高能激光有着极高的需求程度，这也说明，高能激光装置作为一件低维物质探索的利器，正在新一轮科学发展浪潮中获得更多的青睐。

图3SLAC的愿景：开辟微观世界研究的新窗口，发现更加光明的未来

(图源：SLACNationalAcceleratorLaboratory)

利用激光驱动电子加速装置的魔术师：劳伦斯伯克利国家实验室

作为同步辐射光源研究领域的另一大巨头，LBNL拥有比SLAC国家加速器实验室更加久远的历史。在近百年的发展历程中，LBNL共见证了11位诺贝尔奖获得者的科研之路，同时培养出了75位具有卓越才智的美国国家科学院(NAS)院士，作为科学星空中的一颗顶级巨星，LBNL在很多学者心中都能够与“Excellent（卓越）”等重。可以说，正是由于LBNL数代科学家的不竭努力，美国才能够在当今国际物理学的研究中获得极其突出的地位。LBNL的研究主要集中在软X射线、环境科学、天体物理、可再生能源、计算科学、化学以及生物学等领域中，目前拥有以先进光源(ALS,AdvancedLightSource)为代表的六大国家大科学装置；作为世界首台第三代同步辐射光源，ALS拥有最高亮度的紫外线和软X射线输出。X射线波段输出光束比太阳更亮十亿倍的技术优势，为ALS赋予了验证科学猜想的能力，也为材料学、生物学、化学以及物理等学科的科学家提供了一个理想的实验平台。

图4坐落于加州湾的LBNL

(图源：LawrenceBerkeleyNationalLaboratory)

作为高能激光研究领域的独角兽，隶属于LBNL的激光加速中心(BELLA,BerkeleyLabLaserAccelerator)，一直是国际高能激光驱动等离子体研究领域的技术风向标。早在年，BELLA就研发出了重频为1Hz的拍瓦级飞秒激光器，该工作通过灵活应用CPA技术，率先改写了拍瓦激光器无法以低于一分钟的时间间隔输出脉冲的历史，将激光驱动等离子体加速器的技术构想以极高的实验水准实现了出来。该工作能够产生10GeV量级的高能电子束，在随后数年的研究中，带动起一系列高端应用的发展。

图5年BELLA所设计的拍瓦级飞秒激光器

(图源：optics.org)

同样地，LBNL在近年来的研究中也取得了若干极其亮眼的研究成果，除了协助SLAC国家加速器实验室改进硬X射线装置，他们还在激光驱动等离子体加速装置的研究之路中不断前行。年7月，MarleneTurner教授团队在HighPowerLaserScienceandEngineering上发表论文，介绍了该团队在超强激光等离子体光纤方面的最新成果，如图6所示，该工作利用等离子体对衍射效应的削弱，成功实现了超强激光在光纤中传输距离的突破；同时由于超强激光的驱动作用，该装置同样能够实现等离子体加速的功能，电子束流的最大能量可达到8GeV。同年，来自BELLA的研究小组同样将自己的工作发表在HighPowerLaserScienceandEngineering上，该论文介绍了一种全新的光学测量系统，该系统能够以极高的精度和灵活的调控方式，助力研究人员控制超强激光的输出位置和指向角度，进一步提升高能激光的可操作性。LBNL加速器技术及应用物理系主任CameronGeddes对该工作做出了极高的评价：“这项研究对高功率激光测量和控制有重要作用，将对全世界几乎所有的高功率激光输出系统产生重要的指导意义”。

图6长度为20cm的超强激光波导装置

(图源：激光评论)

终结战争的隐形剑客：橡树岭国家实验室

作为洛斯阿拉莫斯国家实验室的孪生兄弟，橡树岭国家实验室(ORNL,OakRidgeNationalLaboratory)同样因曼哈顿计划而生，该实验室的成立初衷是为美国核武器的研制工作生产出足够的铀和钚，进而协同洛斯阿拉莫斯实验室，完成终结二战的历史使命；在成立之初，该实验室处于一个完全“隐形”的保密状态，这里没有对外的通讯地址，只有运转不停的设备和忙碌于终结战争的科学家。而在二战结束后的数十年里，ORNL也得到了较好的发展，从能源、物理、材料到生命科学，ORNL拓展出了丰富多样的研究门类，同时也肩负起诸如超级计算机等大科学装置的建设工作。

图7ORNL远景

(图源：OakRidgeNationalLaboratory)

在近年来的研究中，ORNL开始注重光学在国防军事中的应用，将光子学研究的重要性摆在了极高的位置。年4月，在SPIE所举办的国防、安全以及传感(DSS,Defense,SecurityandSensing)会议上，来自ORNL的汇报者PanosDatskos向与会者介绍了一种新型的光谱传感系统，该系统由4个量子级联激光器所组成，能够覆盖从中红外到远红外的较宽光谱，进而实现对特殊危险化学物品的检测。结合当期DSS报告“光子学对下一代作战人员至关重要”的主题，不难推测出，光学传感是ORNL在光子学领域内的战略布局之一，且其已经在军用传感设备的设计研发领域取得了一定程度的进展。此外，ORNL还在年获得了来自DOE的万美元赞助，用以为具有高度保密权限的全光量子通信网络设计出高性能的中继装置。年，ORNL公布了一项与他人合作的研究：一个功能完备的量子局域网络，该设计的实物图如图8所示。该工作也从一定程度上展示出了ORNL在量子计算以及传感技术领域内的造诣，在接受采访时，ORNL量子信息科学部门的负责人谈到：“我们的研究目标是了解量子网络搭建所需的基本元素和模块，以期实现其在现有网络环境中的部署，进而实现量子技术的优势”。在ORNL的

转载请注明:http://www.aideyishus.com/lkcf/4285.html