大型激光装置在亚洲快速崛起
发表在High Power Laser Science and Engineering 2019年第3期上的综述文章Petawatt and exawatt class lasers worldwide对当今世界范围内的拍瓦激光装置进行了概述。
与2015年的综述文章Petawatt class lasers worldwide不同，本文是按区域来进行介绍的。这样做主要有两个原因：首先，2015年的综述是根据激光器不同的技术分类来细分，但随着越来越多的激光系统会同时混合使用几种技术，原来的划分界限变得模糊。此外，按区域进行介绍，生动地展现了随着时间的推移，超强激光装置的重心逐渐从其发源地美国转移到了欧洲，再到现在牢固地确立在亚洲。本篇文章为大家介绍亚洲的大型激光装置。
亚洲在运行使用超高功率激光装置上有着悠久的历史，目前是这类装置研发和建造的先锋。中国、日本、韩国都拥有或曾经拥有世界最高性能的装置，下文会详细进行介绍。
亚洲强激光联盟通过ASILS（亚洲强激光会议）和暑期班的形式来保持亚洲众多学术团体的合作交流。下面将根据国家/研究所来分类概述亚洲的超高功率激光。
1. 中国
中国见证了国际超高功率激光发展及运用最伟大的发展进程。研究主要集中在三个城市：上海、北京、绵阳。上海有如下研究所及实验室：中科院上海光机所（SIOM）高功率激光物理联合实验室(NLHPLP)；中科院上海光机所强场激光物理国家重点实验室；一个由中科院上海光机所运营，建设在上海科技大学中的实验室；上海交通大学激光等离子体教育部重点实验室。在北京，中科院物理研究所北京凝聚态物理国家实验室和北京大学都运营有高功率激光装置。在绵阳，中国工程物理研究院运营着激光核聚变研究中心。
中科院上海光机所高功率激光物理联合实验室建立了中国第一套钕玻璃拍瓦级激光器，该装置是神光II高能激光的一条辅助束线，至今仍在服役。神光II是一套8路钕玻璃激光装置，能够输出6 kJ的基频光和2 kJ的3倍频光。2005年，具备输出4.5 kJ能量的新的九路激光束线开始服役运行，随后被改造为神光II拍瓦级激光装置。神光II升级装置还包含了一个单独的可以输出24 kJ能量、3 ns脉宽三倍频激光8路激光装置。近期发表的文章全面介绍了该装置的情况：
（Zhaoyang Jiao, Ping Shao, Dongfeng Zhao, et al. Design and performance of final optics assembly in SG-II Upgrade laser facility[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2018, 6(2): 02000e14
Lei Ren, Ping Shao, Dongfeng Zhao, et al. Target alignment in the Shen-Guang II Upgrade laser facility[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2018, 6(1): 01000e10）
神光II 5拍瓦激光是神光II装置近期新增的一路光参量放大（OPCPA）激光束线，它设计输出150 J/30 fs，采用神光II装置的第7路和第9路激光的二倍频光来进行泵浦。目前该装置已经可以输出37 J，21 fs（1.76 PW）的激光，聚焦峰值强度达到1019 W/cm2，并成功用来开展高能物理实验。第三级OPCPA高能主放大器目前正在建造，未来将获得5 PW的压缩后激光脉冲。
中科院上海光机所强场激光物理国家重点实验室（强光实验室）于2006年建造了中国第一台拍瓦级钛宝石激光器，具备输出0.89 PW、29 fs、中心波长800 nm的激光脉冲。强光实验室钛宝石激光装置于2012年升级为2 PW（52 J，26 fs），是当时世界上输出峰值功率最高的激光装置。该装置采用了一个高对比度前端，可以在靶上获得1.5x1011@100 ps的对比度。随后该装置的主放大器又进行了升级，具备192.3 J的输出能量，同时在小口径条件下验证了27 fs的压缩脉宽，该项研究表明，如果采用全口径的光束压缩能够获得峰值功率达到5 PW的脉冲。受制于所在建筑的空间尺寸，目前该装置运行在1 PW条件下。
2002年，中科院上海光机所强光实验室还实现了世界首套数太瓦OPCPA激光装置，具备输出570 mJ/155 fs，峰值功率达到3.67 TW的脉冲。2012年，实验室开始建造基于215 mm口径的LBO晶体、以CPA为前端OPCPA为终端放大的10 PW激光装置。2013年实现了28.7 J，33.8 fs，峰值功率达到0.61 PW的激光脉冲输出。2015年，通过采用一块口径达到100 mm的LBO晶体，获得了45.3 J，32 fs，峰值功率达到1 PW的激光输出。目前受制于大口径LBO晶体的制造能力，最终实现10 PW（300 J，30 fs）输出的计划已经推迟。
在由中科院上海光机所和上海科技大学联合组建的实验室中，来自前者的研究团队在一栋专门建造的实验楼里进行上海超强超短激光装置（SULF）的研制。这是一台独立的钛宝石激光装置，具备输出10 PW，1 PW和100 TW的激光，分别传输到地下的三个靶室区域。2016年，该激光装置实现了5.4 PW的峰值功率输出，受制于目前大口径光栅还未进场，无法实现10 PW的输出。实验团队还成功验证了10 PW终端钛宝石放大器的输出性能，通过采用一块235 mm口径的钛宝石晶体，实现了339 J的800 nm激光放大，泵浦-信号光转换效率为32.1%。通过采用取样压缩实现了21 fs的压缩脉宽，经过测试，压缩室的传输效率为64%，结果表明该激光器具备10.3 PW的输出性能。目前由Jobin Yvon提供的大口径镀金光栅已经进场安装。该装置已经在2019年正式运行，同时采用升级的泵浦激光器来实现一分钟一发的10 PW激光输出。
图1 在被转移到SULF大楼前，SULF原型激光器在进行最终调试（图片由SIOM提供）。
上海交通大学激光等离子体重点实验室（LLP）中运营着一台来自Amplitude Technologies公司的PULSAR钛宝石激光器，能够输出5 J，25 fs，峰值功率为200 TW的激光脉冲，重复频率为5~10 Hz。他们还有实现高平均功率OPCPA激光系统的研究方案，并计划在上海浦东的分校区里搭建一套15 PW的激光装置。该装置计划首先采用单发的运行方式，后续将升级为高重频实现KW级的平均功率。LLP还拥有一套波长为2.2 μm，峰值功率为100 TW的中红外OPCPA激光系统。该装置可能是未来拍瓦级激光装置发展的方向。
在绵阳的中国工程物理研究所激光聚变研究中心，SILEX-I是一台早期的钛宝石拍瓦激光装置。该装置可以输出9 J，30 fs的激光脉冲，峰值功率为286 TW，重频为0.15 Hz。通过采用可变形镜，装置能够获得1020 W/cm2的聚焦强度。该系统目前已经并入星光 XG-III装置（具备输出飞秒，皮秒，纳秒光束的能力）。其共有三条光束输出：0.7 PW，26.8 fs的800 nm激光；0.6 PW，0.5~10 ps的1053 nm激光；575 J的527 nm 纳秒激光。
神光IV将建造在激光聚变研究中心，将具备兆焦耳的性能以实现聚变点火验证。该装置建立在神光III成功服役的基础上，设计输出48路共200 kJ能量的激光。神光IV初步的设计规模小于NIF和LMJ，但最终方案还没有确定。在神光III的实验大楼内，有一台SG-IIIP装置用来验证设计参数。
在绵阳，还有一台全OPCPA的4.9 PW激光装置正在运行。该装置目前能够输出168.7 J的800 nm放大激光，压缩后能量为91.1 J，脉宽为18.6 fs。该装置计划采用一个更大的200 mm x 200 mm的LBO晶体来获得15 PW的激光输出。
在北京中科院物理所凝聚态物理国家实验室，极光III钛宝石激光装置正在运行，该装置能够输出32 J，28 fs，1.16 PW的激光，聚焦峰值强度超过1022 W/cm2。这是中国首套超过1 PW的激光装置，并具有很高的时间对比度1010@100 ps。该装置目前搬迁到了一栋新的实验楼，同时升级了泵浦，预计将实现超过1.5 PW的峰值功率输出，脉宽小于20 fs，时间对比度＞1011@10 ps。
在北京大学重离子物理研究所，CLAPA（小型激光等离子体加速器）是一个专门用来进行激光驱动等离子体加速实验的装置。它包含了一套Thales公司提供的5 J，25 fs，5 Hz，200 TW的商品化钛宝石激光器，一个等离子体加速器以及一个质子束线传输链路和应用平台。该系统采用交叉偏振波技术实现109 ns对比度，脉冲前沿20 ps的时间对比度为1010。目前正在搭建一套2 PW，1 Hz的钛宝石激光用于质子加速研究。
2. 日本
GEKKO XII钕玻璃激光装置位于大阪大学激光工程研究所（ILE），是首台大规模（12路）采用掺钕磷酸盐玻璃用于惯性约束聚变研究的装置。ILE随后又发展了首台大口径30 TW CPA钕玻璃激光器（亚洲首台拍瓦级激光器），并将其作为GEKKO XII 高能纳秒激光装置的一部分。这条拍瓦激光束线包含了一个OPCPA前端、一个钕玻璃大口径放大器和一个双通压缩器，能够产生420 J，470 fs，0.9 PW峰值功率的激光输出，通过采用一个f/7离轴抛物面镜，可以获得2.5 x 1019 W/cm2的聚焦强度。
图2 日本大阪大学ILE的GEKKO XII（右）和LFEX（左）激光器（图片由大阪大学提供）。
在GEKKO XII装置中，LFEX（激光快速点火实验）装置被用来进行FIREX项目的快速点火验证。LFEX激光由一个2 x 2 结构的光束构成。单路激光的口径为32 cm x 32 cm，采用两块介质膜光栅压缩，并通过4 m焦距的离轴抛物面镜聚焦到靶室，焦点直径为30~60 μm，聚焦能量为2.5 kJ。脉冲的上升沿为1 ps，脉宽可以在1~20 ps调节，能够提供拍瓦级的峰值功率。目前压缩脉冲的峰值功率是2 PW，脉宽1 ps。在其中一路光束进压缩室前安装了一个全口径的可变形镜，用于波前校正。在靶前采用等离子体镜可以将脉冲对比度（主峰和基底比值）由1010提升到1011。
在日本京都的关西光子科学研究所（KPSI），J-KAREN是世界首套拍瓦级激光装置，在2003年实现了0.85 PW输出（28.4 J，33 fs）。该装置可以工作在10 Hz，50 TW状态下，或者受制于终端放大器的热效应，工作在每30分钟一发的1 PW状态下。后续升级的J-KAREN-P是首台混合式OPCPA/钛宝石激光系统，可以输出0.1 Hz的1 PW（30 J，30 fs）脉冲，装置采用f/1.3的离轴抛物面镜聚焦。该系统目前工作在0.3 PW条件下，可以实现1022 W/cm2的聚焦强度，时间对比度为1012。
在日本国家项目ImPACT（革命性研发推进项目）的架构下，日本理化研究所的SPring-8中心正在建造LAPLACIAN（激光加速协同创新平台）装置来开展激光尾波电子加速的实验。该装置将配备一台钛宝石激光器，通过LWFA获得稳定的分段加速。该激光器由大阪大学设计，由Amplitude Systems公司安装搭建。由振荡器输出的激光分为三束，分别放大并压缩获得10 Hz, 1 J/20 fs的激光，5 Hz, 2 J/50 fs的激光和 0.1 Hz, 10 J/100 fs的激光。这些光束将分别作为注入器、相位旋转器和助推器，使其具有最小的时间抖动。每一级激光器的参数可以独立调节，从而可以全局优化电子加速的性能表现。
在日本理化研究所SPring-8中心的X射线自由电子激光装置SACLA中，有一台由Thales公司建造的可以输出两路0.5 PW光束的钛宝石激光系统。这套激光系统目前已经服役，具备输出最大能量为12.5 J、脉宽25 fs、重频为1 Hz的激光。这台激光器计划作为HERMES激光系统的一部分。HERMES系统将耦合入SACLA中，由日本理化研究所和大阪大学合作运营。在2018年，一路激光开始和SACLA联合运行，为用户实验提供服务，激光参数为200 TW（8 J，40 fs），重频降低为数分钟一发。
由大阪大学激光工程研究所和关西光子科学研究所量子科学技术研究开发机构联合领导的日本高功率激光联盟提出了一个高重频高功率激光装置J-EPOCH的概念设计。该装置是一个16 kJ/16 Hz/1 ns/160路光束的激光系统，每十束光为一个单元，共有16个单元，每一路可以输出能量为100 J，重频为100 Hz的激光和峰值功率为1 PW，重频为50~100 Hz的激光。J-EPOCH 装置可以用于产生激光驱动辐射及粒子束（GeV电子，质子，X射线，γ射线和中子）和25 PW的激光束线。25 PW激光束线包含两路基于钛宝石激光的10 Hz，10 PW/20 fs束线和一个基于陶瓷激光器的10 Hz，5 PW/数皮秒/5~10 kJ束线。
3. 韩国
在韩国光州的相对论激光科学中心（CoReLS）运行着一台拍瓦级钛宝石激光装置用来探索超强激光与物质相互作用，该激光器继承自光州科学技术研究所（GIST）先进光子研究中心（APRI）研发的拍瓦激光装置。该激光装置于2010年首次实现33 J，30 fs，1.1 PW，0.1 Hz的拍瓦激光输出，随后又增加了一路30 fs，1.5 PW的激光束线，号称是世界上最早的0.1 Hz拍瓦级钛宝石激光器。在基础科学研究中心CoReLS于2012年建立后，原来的1.5 PW激光束线在2016年升级为4 PW，具备输出83 J，19.4 fs（4.2 PW）0.1 Hz的激光，能量稳定性为1.5%。升级的激光装置采用XPW和OPCPA作为前端，能够获得1023 W/cm2的聚焦强度，主脉冲150 ps外的时间对比度经过测量为1012。通过采用f/1.6离轴抛物面镜和3 PW的激光脉冲，获得了5.5 x 1022 W/cm2的聚焦强度。
图3 韩国CoReLS的多路拍瓦激光设备（图片由CoReLS提供）
在韩国大田市的ETRI（电子通信研究所），运行着一台由Amplitude Technologies公司提供的PULASR钛宝石激光器，该装置可以输出200 TW，（5 J，20 fs）5~10 Hz的激光，并已经完成了1 PW的升级。该装置命名为EXLS（ETRI极端光源），中心波长为800 nm，可以输出31 J，22 fs，0.1 Hz的激光，采用f/1.8抛物面镜聚焦200 mm口径的激光光束。
4. 印度
波尔多原子能部的RRCAT（Raja Ramana先进技术研究中心）是印度在激光和粒子加速领域一流的研究机构。2012年，一台由Amplitude Technologies公司提供的150 TW，5 Hz激光装置在该机构开始运行。该系统可以输出3.75 J，25 fs的激光脉冲，在主脉冲前沿300 ps的时间对比度为~1010。该系统主要用来开展气体靶的电子加速和薄箔靶的离子加速。目前RRCAT正在建造一台1 PW的钛宝石激光装置。该装置使用XPW作为前端。终端钛宝石采用四台钕玻璃激光器（ATLAS，Thales，法国）泵浦，泵浦激光器可以输出100 J的倍频光。终端输出将达到25 J，25 fs，1.1 PW，重频为0.1 Hz。
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