来自美国科学院、工程院和医学院的数十名激光领域科学家对美国超强超快激光科学的发展现状及其相关技术进行了调研和评估,并对美国在该领域的发展提出了7条结论和5大建议,希望能够“为美国科学界制定激光发展路线图”。

评估美国超强超快激光科学的发展

科学家们调研了强场科学及其相关技术,明确了超强超快激光器在峰值功率和平均功率前沿领域开创的科学机遇(“强场科学”),评估了与强场科学相关应用的潜在影响,以及与强场科学相关的美国激光工程与技术的状况。

评估了美国强场科学及其相关技术发展的框架。该评估在国际背景下进行,以欧洲国家的努力作为基准。在此过程中,委员会围绕以下问题展开:

01,美国是否有明确或隐含的国家战略指导强场科学?如果没有,是否可以制定战略?如果有,那该战略的恰当结构是什么样的?

02,是否有必要采取大规模的活动来协调、加速和管理强场科学,使其在峰值功率和平均功率上远远超过目前的顶尖技术水平?

03,是否有令人信服的科学理由来建设一个前沿的美国设施,或者是分阶段的一系列设施,峰值功率达到1 PW至1 EW?如果有必要建设,那么有哪些指标?这样的设施或一系列设施应该具备哪些功能?

04,美国高功率激光技术的发展管理是否良好?如果没有,美国应该遵循什么样的路线图来前后一致地支持这项技术的发展?此外,应该追求什么样的新技术?


全球第一台拍瓦级激光器NOVA。图片来源:美国德克萨斯大学奥斯汀分校/T. Ditmire

7条结论:缺乏整体协调机构或成阻碍美国超快激光发展的主因

结论1:科学研究十分重要。超强激光器使庞大而重要的科学体系得以实现。

结论2:应用于多个领域。除了用在科研中,超强超快激光器在核武器储备管理以及工业和医学领域具有广泛的适用性。科学研究是高功率激光器的主要应用,高功率激光器的所有应用都依赖强激光-物质相互作用这一基础科学。

结论3:团体庞大而松散。现在已有一个庞大而多才的技术团体,但它分散在不同的学科中。工业界和政府之间的协作是有限且不充分的。超强超快激光领域中训练有素的科学家和工程师们为光子学和光学的应用做出了巨大贡献,其中包括用于国防和核武器储备管理的高能激光器。

结论4:缺乏跨部门的管理。目前还没有一个机构成为美国强场激光研究的管理者。根据它们的不同使命,研究项目是在几个不同的联邦机构的赞助下进行的,包括能源部科学办公室(DOE-SC)、国家核安全管理局(NNSA)、空军科学研究办公室(AFOSR)、海军研究办公室(ONR)、国防高级研究计划局(DARPA)和国家科学基金会(NSF),而没有一个类似欧洲的整体协调机构。

结论5:美国已经失去了以前的主导地位。在20世纪90年代,美国是强场激光技术的创新引领者和主导使用者,但是欧洲和亚洲已通过协同的国家研究和地区研究及基础设施项目,成为这一领域的主导者。在欧洲,ELI项目应运而生。目前,80%到90%的高功率激光系统在美国之外的国家或地区,目前正在建造或已建成的最高功率的科研用途激光器(数拍瓦级)也均不在美国本土。


全球拍瓦级激光器分布图,主要集中在欧洲与亚洲地区。图片来源:美国国家科学院/J.L. Collier

结论6:与现有的基础设施协同共存是至关重要的。高功率激光器与现有基础研究设施(如粒子加速器)的协同共存公认为是美国国家实验室相对于欧洲ELI项目的一个关键优势。

结论7:高校、国家实验室与工业界的合作对于保留和更新人才是必要的。私营企业、研究型大学和政府实验室等各部门之间的合作已经被证明是必要的,目前的形势可以通过建立一个强健的国家人才库,并为这个快速增长的领域建立一个强大的技术基地来得到改善。

5条建议:加强整合协调,建立“至少一个开放式的大型高功率激光设施”

建议1:能源部应与科学和技术政策办公室、国防部的研究部门、国家科学基金会以及其他联邦研究组织合作,建立一个广泛的包括高校、工业界和政府实验室在内的全国性的关系网,作为支持强场超快激光科学、应用和技术的国家战略基石。

建议2:为了加强在这一领域的整合和协调,研究机构(国防部、能源部、国家科学基金会等)应让关系网内的科学利益相关方参与,以确定哪些设备和激光参数最能满足研究需求,重点关注当前领域内最先进的和对前沿科学领域至关重要的参数,如峰值功率、重复频率、脉冲持续时间、波长和聚焦强度等。


L3-HAPLS拍瓦激光系统已在捷克共和国ELI Beamlines研究中心宣布完全集成并投入使用。图片来源:LLNL

建议3:能源部应牵头并制定一项全面的、联合各个机构的强场激光国家战略,其中包括一个大型实验室项目的发展和运营方案;数个中等规模的项目,例如高校承担的科研项目;在高校、国家实验室和工业界之间进行技术转让的发展计划。

建议4:依托能源部下属的主要科学基础设施,能源部应计划建立至少一个开放式的大型高功率激光设施。

建议5:各机构应该为美国科学家和工程师制定科研计划,其中包括建设中等规模的基础设施、开展强场激光科学项目、关键支撑技术的开发,以及参与诸如ELI等国际设施的研究。

完整调研请查看“Opportunities in Intense Ultrafast Lasers: Reaching for the Brightest Light”

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