走近欧洲超强激光装置：ELI系列（2）
图1. Eli-NP外景
一、ELI-NP是什么？
Eli-NP可以认为是Eli系统的三个重要组成部分之一，欧盟计划将Eli-NP建设成为世界上在光核物理研究及应用领域最先进的研究设施。该设施建成后将包含两部分，第一部分为两路峰值功率高达10 PW的超短脉冲激光器，能够实现高达1023-1024 W/cm2的激光峰值功率密度，可提供2x1015 V/m电场强度的极端物理条件。第二部分为一条目前世界上亮度最高（1013光子数/秒），准单能（0.1%带宽）伽马射线源，伽马光子能量可达19.5 MeV。该伽马射线源基于非相干康普顿背向散射原理，由超强激光和一束传统线性加速器产生的720MeV高能电子对向碰撞产生。
目前国际上劳伦斯利弗莫尔实验在此类伽马射线源的研究上处于领先地位， 相信ELI-NP应该也会和他们紧密合作，此外，国内清华大学工程物理系也在这个方向上取得了不少突破。Eli-NP将依靠超强激光和超亮伽马射线源这两样工具解决基础物理、核物理以及天体物理领域的前沿问题，同时也将研究关于材料科学和生命科学的相关课题。Eli-NP已经被欧洲核科学领域最重要的学术委员会——NuPECC列为“欧洲核科学远期发展计划”的核心装置。
二、Eli-NP在哪儿？
Eli-NP定址在东南欧的罗马尼亚，规划占地约33,000m2，具体位置位于距罗马尼亚首都布加勒斯特市中心仅12公里的Magurele镇，此处在建立ELI-NP之前已经是罗马尼亚重要的科学研究中心，设有五个国家级研发机构，主要涉及核科学、激光技术、等离子与空间科学、材料物理、光电子学等，一所物理学院和两家专业工程公司（光电子学与核设施设计）。
图2. Eli-NP的位置
三、Eli-NP的目标
Eli目前汇集了来自世界上30多个国家，100多位高能激光和核科学领域的科学家们为Eli-NP制定了比较详细的实验规划，目前拟定的研究课题如下：
1. 利用核物理研究方法研究超高功率激光与物质的相互作用，以获取通过激光获得高质量的质子和重离子的加速束的方法和可能性。
2. 激光束的极高强度将允许对一些基本物理现象的预期理论进行实验研究，如在强电场下的真空双折射和电子偶产生。
3. 利用光致核反应的方法研究和剖析核结构和研究天体物理学问题。
4. 研究核材料鉴定和远程特性辨识新方法，该研究将应用于国土安全领域诸如远程自动运输集装箱扫描和核材料管理等。
5. 研究产生新的放射性同位素，以及提高生产目前应用于药物合成的放射性同位素产能的新方法。
6. 同时利用高强度的γ射线和激光束研究真空下的电子偶产生问题。
四、PW Laser技术方案的诞生
ELI-NP在2011年开始设计10PW激光技术方案时，以增益介质作为区分有三种解决方案。第一种方案是以钛宝石作为增益介质，以倍频的Nd: Glass激光作为泵浦源，国内的典型代表系统为中国科学院物理研究所极光III号1.16PW超强激光系统。这种方案的优势在于，钛宝石可以提供相当宽的频谱，即使在放大过程中存在增益窄化，采用成熟的技术手段最终输出脉冲宽度仍能够压缩至30fs以下。但是该方案实现更高能量输出的阻碍主要来自于增益介质尺寸的限制，获得高质量，掺杂均匀的大口径钛宝石晶体是提高放大极限的关键，但同时也是非常困难的一件事。
图3. ELI-NP激光系统中的钛宝石晶体，直径：200mm
第二种方案以DKDP作为增益介质，采取OPCPA的放大结构，好处在于DKDP晶体可以长得很大，口径限制问题几乎是不存在的，但这种方案的问题在于对泵浦激光的脉宽和能量都有很高的要求（受OPA过程效率的限制），典型的代表激光系统为我国上海光机所的10PW超强激光装置。
第三种方案以Nd: Glass作为增益介质，采取OPCPA的放大结构，这样泵浦激光的能量可以更高（无需倍频）。但这种方案受到Nd: Glass的增益带宽所限，这种方案的最终输出脉冲宽度一般都在百fs量级，代表系统为英国的VULCAN laser系统（1PW）。
图4. 获得PW脉冲的三种方案优劣比较，“+”号代表优势，-“”号代表劣势
设计方综合考虑了三种方案的优劣后认为第一种方案，也就是基于钛宝石的CPA方案最有可能在接下来的5年时间里实现10PW的脉冲输出，
同时为了获得高对比度输出，该方案在前级采用的是非共线OPCPA和XPW结合的脉冲净化方式，后级放大选择的是传统的钛宝石放大器结构。与此同时第三种方案，也就是基于Nd: Glass的OPCPA方案作为后备方案，同期进行设计和考量。Eli-NP的这两套10PW系统的设计和建设工作由法国Thales公司负责（技术扶贫、发达国家得利的又一例证! ），下图为Eli-NP的最终设计方案（详细设计参考ELI-NP白皮书）。
图5. Eli-NP的10PW技术方案图（目前网络上只能找到这个清晰度）
从图中可以看到，Eli-NP同时设有两个宽带高对比度前级：宽带钛宝石种子光经展宽后放大至100mJ，同时保持支持15fs的带宽，对比度达到1012。这是因为考虑到OPCPA的复杂性，单个前级的准直和维护时间会很长，设置两个前级作为备份可以保证系统的长时间运行，延长可用机时。高对比度种子脉冲进一步放大至焦耳（10Hz）至几十焦耳量级（0.1/0.05Hz）。中间放大级提供独立的输出和压缩，应用于能量不需要特别高，但需要一定重复频率的实验。最后一步放大至200J，重频预计下降至几分钟一发，可用于独立的高能物理实验，或是协同伽马射线源工作。
图6. 以色列大使参观Eli-NP
从2017年12月的的参观照片来看，PW系统的整体架构应该已经完成，虽然暂时还没有报道出光的消息。而转眼已经到2018年了，这套系统目前看来还没有完全建成，而中国科学院上海光机所已经率先实现了10PW超短脉冲输出的世界纪录，不由的赞叹一下中国速度！
限于篇幅，Eli-NP的伽马射线源这里暂时卖个关子，
请继续关注我们的走近欧洲超强激光装置：ELI系列，下期会更加精彩！
【参考文献】
http://www.eli-np.ro/documents/ELI-NP-WhiteBook.pdf
http://www.eli-np.ro/
