正在为新的X射线自由电子激光（LCLS-II）建造高功率激光器

研究人员在 SLAC 的 LCLS 实验大厅的“MEC 室”中工作，MEC 的光学激光系统在材料中产生极端的温度和压力，并且用LCLS 的X 射线激光束捕获材料的响应。来源：Matt Beardsley/SLAC。

        数十年来劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL ）在发展高能量激光器方面拥有领先地位，这一优势正主要服务与国家加速器实验室（SLAC）的直线加速器相干光源 (LCLS) 关键组件的升级。在未来的几年中，LLNL 的先进光子技术 (APT) 项目将设计并建造拍瓦（千万亿瓦）激光系统，建成将进入世界上高功率激光装置的行列，以安装在由能源部科学核聚变能源科学项目办公室资助的LCLS 升级后的极端条件物质 (MEC) 实验设施中。

       新的激光装置与 SLAC的 X 射线自由电子激光器 (XFEL) 相结合，将促进对高能量密度 (HED) 物理学、等离子体物理学、聚变能量、激光-等离子体相互作用、天体物理学、行星科学和其他物理现象的理解。现有的 MEC 设施的光学激光器通过与 LCLS 的 X 射线激光脉冲相耦合以探测极端温度和压力下物质的特性。MEC 实验已经产生了具有突破性的科学成果，例如首次观测到在天王星和海王星这样巨大的冰冻行星深处存在的“钻石雨”。越来越多的人呼吁美国重新建立高功率激光技术的世界级领导地位，推动了MEC-Upgrade (MEC-U) 的建立，例如 2018 年美国国家科学、工程和医学研究院的报告，“超快强激光的机遇：寻找最亮的光。”

       SLAC 通过与 LLNL 和罗切斯特大学激光能量学实验室 (LLE) 合作，在一个新的地下室中设计并建造 MEC-U 设施。LLNL 的额定重频激光器 (RRL) 能够以10 Hz（每秒 10 个脉冲）的频率产生脉冲，并且由 LLE 开发的高能千焦激光器将传送到两个新的实验区，包含一个靶室和一套专用为 HED 科学定制的诊断设备。LCLS 是位于加利福尼亚州门洛帕克SLAC的两英里长的直线粒子加速器的一部分，每秒能够提供 120 个 X 射线脉冲，每个脉冲持续时间为几个飞秒（千万亿分之一秒）。 同时升级的LCLS-II 将每秒在准连续的 X 射线束中提供一百万个脉冲，其平均亮度将提高 10000 倍，并且x射线能量增加一倍。MEC-U 项目主任 Alan Fry 说：“由利弗莫尔和罗切斯特设计的新型高功率激光器本身就是世界领先的”，“将它与 LCLS 结合可以显著提高它们的科学价值并且这种结合将提供一种前所未有的能力。”

LCLS XFEL 末端的新 MEC-U 室的概念设计。该设施将包括 LLE 的千焦 (kJ) 激光器、LLNL 的 10-Hz 额定重频拍瓦/长脉冲激光系统、一个主靶室和一个位于主靶室下游的多功能二次交互站点。来源：Gilliss Dyer/SLAC。

        NIF 和光子科学项目主任 Vincent Tang 说：“使用我们正在建造的 10Hz 拍瓦激光器，以及 LLE 的长脉冲压缩激光器和升级后的 LCLS装置 ，LCLS 及其 MEC-U 设施将成为美国高重复率、激光驱动 HED 实验的佼佼者。”Tang补充说：“将最新和最好的超快激光技术与 MEC-U 设施的 LCLS 光束线相结合，将为美国科学发现和国家安全研究提供全新的高通量 HED ”，“将能够迅速提高我们对极端压力和温度下的等离子体和材料的理解，同时提高我们在重复频率和规模下操作HED技术和系统的能力，这与未来的重要应用(如惯性聚变能)有关。”美国国家核安全局 (NNSA) 对于和科学办公室合作增加额外的高能长脉冲激光能力，以进一步支持NNSA的基于科学的核武器储备管理计划，表现得很有兴趣，目标之一是帮助科学家预测下一代管理相关材料在极端环境中性能；研究惯性约束聚变的微观物理学；并推动比以前更大体积的高原子序数材料的研究。

HAPLS 高效版

        LLNL 的 RRL 项目负责人兼首席科学家 Tom Spinka 说：“这将是一种简化和高能版的高重复频率先进拍瓦激光系统(HAPLS)，于2014年至2018年通过APT项目设计和开发该系统。HAPLS 是世界上第一台全二极管泵浦拍瓦激光器，现在是欧盟在捷克共和国的极光基础设施光束线的关键组成部分”。Spinka 说：“RRL将以HAPLS的开创性工作为基础，把NIF闪光灯泵浦掺钕玻璃高级放射成像能力中使用的直接啁啾脉冲放大技术与LLNL实验室直接研发项目开发的HAPLS二极管泵浦玻璃泵激光技术结合在一起。Spinka 说：“这种架构最初被称为可扩展的高功率高级放射成像能力（SHARC），消除了 HAPLS 激光系统的有损耗的次级（钛掺杂蓝宝石），在相同的峰值功率和重复频率下，最终产生的能量大约是HAPLS的5倍。”LLNL 用于 MEC-U 设施的 RRL 将与 ELI-Beamlines 的 HAPLS（现称为 L3-HAPLS）激光器的性能提升到其完整的设计规格并行开发。它还将利用 APT 正在开发的其他先进激光技术，包括与电光技术公司合作研发协议下开发的新型高能法拉第旋转器。

安装在MEC-U工厂的LLNL拍瓦激光器的设计图。来源：劳伦斯利弗莫尔国家实验室

开启新物理

       Tang说：“MEC-U 是 NIF&PS 开发下一代高平均功率超快激光器和实现高重复率 HED 科学战略的核心部分，MEC-U 开启的新物理范围广且高度适用于 LLNL 使命。这对 LLNL 和研究团体来说是一个激动人心的机会。”Fry 补充道：“我们不仅与世界上一些领先的激光实验室合作，而且我们还与实验科学、高能量密度科学以及美国能源部科学办公室用户设施运作方面的世界专家合作，来自世界各地的科学家可以来这里做实验。”

       LaserNetUS作为一个研究网络正在促进各地的实验室和大学使用高强度激光设备。MEC-U 于去年秋天获得美国能源部科学办公室的批准，从概念设计阶段进入初步设计阶段，预计将在两年内开始建设。APT RRL团队由Tang担任高级团队负责人；Spinka 担任项目负责人和首席科学家；Robert Plummer 担任项目工程师；Brendan Reagan 担任激光建筑师。