ELI：将投向商用

经过10年的设计、建造和调试，欧洲的激光场正在向用户设施转变，以推动新的科学发展。 2009年10月，布拉格天气晴朗，三个中欧国家——捷克共和国、匈牙利和罗马尼亚——朝着一个大胆的目标出发了。在当天的一次会议上，这些国家的政府从欧盟委员会(EC)和13个伙伴国家的代表那里得到了官方的许可，可以建立三个最先进的用户设施，使用有史以来最强大的激光。 随着新的十年的到来，这些设施正准备向科学用户敞开大门，并开始实现ELI雄心勃勃的发现议程。
       这个名为ELI的“极端光基础设施”项目承诺提供8.5亿欧元(按今天的汇率约合9.35亿美元)的资金，用于短期内将激光领域推向极致，将基础和应用科学推向无法想象的新高度。从质子治疗和核废料管理的进步，到“煮沸”量子真空和揭示新物理学的奇异实验，关于这些强大的新激光能实现什么的想法充斥着大气层。 在这中间的十年里，即使欧洲作为一个整体已经经历了主权债务危机，民粹主义的兴起和脱欧带来的旷日持久的政治闹剧——ELI的三个站点的规划、设计和建设仍在继续。为了揭开激光器诞生60周年的序幕，OPN在这里关注ELI项目的现状以及未来几年可能发生的事情。
从一个设施到三个
       ELI的想法是在布拉格会议前几年提出的，当时欧洲激光科学界将该项目纳入了欧洲研究基础设施战略论坛(ESFRI)的路线图。欧盟的这一项目提供了600多万欧元，用于将于2007年11月开始的为期三年的预备阶段ELI-PP，该阶段将涉及13个国家和50多个实验室。ELI-PP将为以“exawatt级激光器”为中心的设施提供技术和安全要求以及选址，该激光器的脉冲功率“至少是现有或计划中的100倍”。
       起初，ELI–PP设想所有这些能量集中在一个地方。然而，尽管法国、英国和最近加入的中欧国家捷克、匈牙利和罗马尼亚这五个欧盟国家都提出了主办这样一个庞然大物的建议，但这些单一国家的计划因耗资巨大而无法实施，当时估计耗资约6亿欧元。 然后，三个中欧国家提出了另一种选择。这三个国家将不再拥有一个单一的、昂贵的设施，而是各自拥有一个更小的设施，其中包括最高功率可达10PW的激光器，并把重点放在这些高强度激光器的科学研究上。ELI计划中的第四个设施，即“支柱”的选址和资金，将在稍后决定。 据ELI交付联盟(ELI - dc)的总干事Allen Weeks称，该计划具有一定的政治和财政优势。
       首先，这三个国家可以通过从欧洲区域发展基金(ERDF)中提取所谓的结构性资金来支付高昂的建设成本。 Weeks指出，ERDF在本世纪头十年中期，当一些中欧国家加入欧盟时，得到了极大的扩展，这些资金主要用于桥梁、道路、学校和医院等发展项目。但是这三个国家正在竞争ELI设施，他们利用了这一日益增长的趋势，允许ERDF资助扩展到研究基础设施。Weeks说：“他们的想法是，通过这种方式，他们可以发展这些国家的科学界技术水平——认识到科学以及桥梁是发展的重要组成部分。”
ELI–Beamlines：二级资源的菜单 
       在适宜的融资模式下捷克共和国的ELI-Beamlines开始建设于2012年在布拉格郊区，靠近现有的工业激光器研究设施HiLASE。 ELI–Beamlines聚焦于拍瓦量级激光器的超能力：它们用于产生为纯科学和应用科学实验服务的高能辐射和粒子流。当强度超过1020 W/cm2的超短、高功率激光脉冲撞击气体或固体目标时，集中的电磁场可以将电子从轨道中剥离出来，产生等离子体，产生软x射线和硬x射线，加速离子和其他光束。这些“二次源”光束，从而在ELI–Beamlines地下室的五个实验大厅中，使生物医学和材料科学、等离子体韦克菲尔德加速、实验室天体物理学和其他领域的实验成为可能。
       产生这些二次源的能量落在四个激光系统上。内部制造的L1 Allegra是一种高重复率、太瓦量级的光源，设计时可产生每秒100兆焦耳能量的1000个20秒以下的脉冲。目前，Allegra的脉冲宽度为14英尺，约为30兆焦耳。第一个用户的激光实验已经开始，其中包括“约20活动”在四个站设施的E1实验大厅。 第二束激光—L2 Amos，目前正在建造中，使用一个由英国卢瑟福阿普尔顿实验室制造的10-J激光头作为泵系统。Amos的目标是在2021年或2022年完成，它将以50赫兹的重复频率产生100太瓦的脉冲，以驱动一个自由电子激光器，该激光器将建在一个实验大厅里。 拍瓦级激光 下一个峰值功率是L3激光，高重复率先进的拍瓦级激光系统(HAPLS)，由美国Lawrence Livermore国家实验室(LLNL)为ELI–Beamlines公司开发和制造，使用ELI–Beamlines公司制造的真空脉冲压缩机。L3 HAPLS是新一代二极管泵浦光束放大的三能级Ti:蓝宝石为基础的CPA系统，于2018年安装在捷克，同年6月首次发射。最终，它将以10赫兹的重复频率产生拍瓦脉冲，目前它运行正常，并在早期质子束加速实验中显示出良好的结果。 最发达的束线激光器是L4 Aton激光束，每分钟产生10 pw的脉冲，它是与美国国家力能公司和立陶宛激光制造商Ekspla合作制造的。闪光灯泵浦的Aton采用OPCPA将毫焦耳级种子脉冲预放大到5-J级，然后在掺钕玻璃放大器中将脉冲能量放大到1.5 kJ。
      据ELI–Beamlines的高级研究员泰勒·格林(Tyler Green)说，Aton激光器已经证明，其输出光束的能量超过1.5 kJ且运行良好。去年秋天，格林带OPN参观了该基地的一些激光器。现在的工作重点是完善压缩器，将激光65×65厘米光束中的啁啾脉冲降低到150毫秒宽、峰值功率为10帕瓦的脉冲。压缩机本身是一个18×4×3米的真空单元——如此之大，以至于在激光大厅下面一层有一个单独的房间。“它就像一个火车车厢，”格林说。“这真是巨大的。”为了适应光束的尺寸和能量，压缩器的工作依赖于LLNL公司制造的850×700毫米多层介质光栅，这些工作将在未来几个月内完成，L4激光器的输出功率预计在2020年年底达到10 pw。”
探索QED的奥秘 
       在ELI–Beamlines东南方约1100公里处，有另外一个ELI核物理中心(ELI Nuclear Physics, ELI - NP)。建筑始于2013年，坐落在罗马尼亚的首都布加勒斯特外部的M?gurele镇上，目前已经主办了一些罗马尼亚核工程和子实验室。这对于ELI - NP来说是一个很好的选择。ELI - NP的目标是利用其两个10-PW激光臂的光来解决核医学和核废料管理的实际问题，并探索迄今为止在核物理学和强场量子电动力学(QED)中难以解决的各种问题。 为了实现这些目标，ELI - NP将把10-PW激光脉冲与来自另一种尖端光源的辐射结合起来，这是一种高强度的伽马射线束，正在为同一地点设计和制造。
       ELI - NP的研究活动负责人Dan Stutman指出：“通常情况下，光与光不会相互作用，但如果你将一束明亮的伽马射线与一束强激光相交，情况就不一样了。”然后，你可以开始探索量子真空的物理学——光子开始‘感觉’真空中的电子-正电子对。” 对于这种组合拳的激光部分，ELI-NP依赖于法国泰利斯公司设计和制造的两支激光武器。这两个光源在2019年春季的调试运行中跨过了一个重要的里程碑，据报道，这两个光源都发射了超过10PW的脉冲。至少就目前而言，这使得ELI - NP的两台激光器成为世界上最强大的激光器。 在经过OPCPA预放大阶段以确保强烈的时间对比和滤除噪声之后，两个激光臂中的脉冲通过三个独立的Ti:蓝宝石放大器，每个放大器依次增加初始10-mJ脉冲的能量。在最后一个阶段，在压缩之前将脉冲能量提高到超过320 J，为此使用了史无前例的直径200毫米的钛蓝宝石晶体。“这是世界上最大的蓝宝石，” Stutman说。“我希望我有一个。” 每个放大阶段结束时的压缩器允许激光臂在三个峰值功率下产生25-fs宽度或更少的脉冲流：10hz的100-TW脉冲、1-Hz的1-PW脉冲以及每分钟一个的10PW脉冲。(10-PW压缩机包括1.2米大的易碎光栅。)这些光束将通过一个仍在完善中的光束传输系统，该系统将把高真空中的激光能量分流到该设施的三个大型试验区，用于与固体和气体目标相互作用，以探索激光驱动核物理和强场量子电动力学中的问题。
高能伽马射线的延迟 
       ELI - NP概念的另一半——高能伽马射线有着更艰难的历史。据广泛报道，一个国际财团在2014年同意建造伽马源，但合同遇到了法律纠纷，并在2018年底被ELI – NP取消。这让该设施的科学案例的两个支柱之一蒙上了一层阴影。 ELI - NP官员表示，好消息是在2019年10月初，他们与另一家公司——位于美国加州弗里蒙特的Lyncean Technologies公司——签署了伽玛射线源的合同。据报道，Lyncean公司计划将该公司现有的两条生产线、用于学术市场的同步x射线微型光源和用于半导体行业的远紫外线(EUV)光源相结合来构建该系统。根据Lyncean的说法，其结果将是一个可调的伽玛射线源，其能量范围从1兆电子伏到19.5兆电子伏，光斑尺寸非常小，伽玛射线通量非常高，几乎是连续的。预计未来两年将分阶段安装，2022年投入使用，2023年开始投入用户服务。
ELI–ALPS:推动阿秒的科学
      ELI的第三个开始建设的设施是ELI Attosecond光脉冲源(ELI–ALPS)， 2014年在匈牙利南部城市塞吉德的一个前苏联时代的军事基地开始施工，该基地位于ELI的另外两个基地之间。顾名思义，ELI–ALPS将使用五种激光光源，在近红外到太赫兹范围内以不同的重复频率工作，以产生极短、单周或少周的脉冲。反过来，这些脉冲将与气体或凝聚态物质相互作用，产生更短的、阿秒级的极紫外脉冲，用于泵探测实验，以研究化学反应中的电子运动。 尽管这是最后一个开始建设的设施，ELI–ALPS却是第一个将激光设备投入使用的。
      据介绍，一种产生0.15 mj、重复频率为100 kHz的次40-fs脉冲的中红外光源于2017年10月投入使用，并可在2018年初用于实验。紧随其后的是其他激光系统，包括由立陶宛公司Ekspla和光转换公司开发的太瓦级单周期激光系统SYLOS。SYLOS自2019年5月开始运行，能够以1 kHz的重复频率输出能量大于30 mJ、持续时间小于6.5 fs的脉冲。 另外两种激光——一种高雷射率的机器，目标是7-fs, 100 kHz的1-mJ脉冲，和一种高场强的机器，目标是10 Hz的拍瓦级脉冲，据说正在运行预计在2020年第二和第四季度达到设计规格。还有一些激光器正在研发中，包括一种太赫兹泵浦激光器，它的设计目的是为极端太赫兹领域的材料研究提供高能光束。 不同的重复频率和强度的菜单是很重要的，因为ELI–ALPS的存在的理由是挑战阿秒EUV脉冲的能量和重复率极限。为了到达目标，来自不同光束的光线将被引导到三个大的实验区域，每个区域都有不同程度的辐射屏蔽。这些光束将与气体或固体目标相互作用，通过气体或表面等离子体高谐波产生阿秒脉冲流，以及用于超快原子或分子物理、成像、放射生物学等研究的其他二次粒子和光束。 据报道，该设施在去年6月创造了它的第一个阿秒脉冲，而且在如何使用它们或ELI–ALPS承诺的其他功能方面，并不缺乏想法。由2018年诺贝尔奖得主、OSA研究员杰拉德·穆罗(Gerard Mourou)领导的一项特别广为人知的实验，将使用SYLOS激光将氘原子核加速到100 keV，并测试这种加速粒子是否可以用来“改变”核废料的安全辐射水平。
持续的挑战 
      虽然ELI实验站已经完成了一些令人印象深刻的工程，但现在等待着的是另一种挑战：将实验站转变为设施，以应对科学用户对它们的利用。这三家实验室都希望在未来一年内增加激光实验的用户操作。 加速发展的部分挑战仍然与工程有关——例如，完成将把高强度激光能量传送到科学实际发生的试验区的光束传输系统，并使多个试验室和试验站为用户做好准备。特别是束流传输，它带来了巨大的技术挑战，为了避免自聚焦和束流破坏，束流必须通过保持在极高真空状态下的电子管。他们还需要一个超级清洁的环境，因为即使是一个微小的零星的油滴也会释放出气体，可能会覆盖或破坏运输系统极其昂贵的光学系统。“我们对真空环境的清洁度要求很严格。” ELI–Beamlines的泰勒·格林(Tyler Green)说。 基础设施的配置是至关重要的，因为组合多种类型的光束来驱动新实验的能力是ELI存在的核心。“这是经常被遗忘的事情之一，”艾伦·威克斯(Allen Weeks)认为。“这些设备本身在激光研究领域已经是世界级的，这些资源已经是世界上最好的了。这就是‘瑞士军刀因素’——这些系统的组合，以及你如何使用所有不同的激光，除了次要来源外的主要来源——这就是ELI的独特优势。”
       除了基础工程之外，向用户设施的过渡还将在项目管理和客户服务方面进行测试。在罗马Hvězda ELI-Beamlines，将涉及平衡持续的一个挑战，必要设施开发和调试用户支持。“我们需要整合一切，”他说，“为用户提供有效和安全的操作。” 因此，泰勒·格林指出，该设施的团队特别关注系统的可靠性，以确保用户在需要的时候得到他们需要的光束。“激光是戏剧女王，”格林说。“让它们一直工作并做你想做的事情真的很难，所以我们在这些系统的控制上花了很多时间，以确保它们的输出日复一日保持不变。” 从ELI-DC到ERIC 增加用户操作也会给ELI更广泛的治理结构带来变化。Allen Weeks解释说，由于这些设施现在正处于“投入运营的关键时刻”，资助模式将从强调欧洲共同体结构基金转向资金来自ELI财团成员国。 Weeks说，这种转变需要成立一个新的实体，即欧洲研究基础设施联盟(ERC)，根据欧盟法律，为正在进行的操作和设施的运营资金提供一个永久性的法律结构。Weeks表示，ERIC“比成熟的、以国际条约为基础的组织(比如管理法国欧洲核子研究中心设施的组织)要透明一些，但仍有一些好处。”
       在曲折的过程中，ELI实验站的员工和潜在用户都在关注着这个科学奖。在2019年11月，向欧洲共同体提交了一份建立这样一个ERIC的申请。但是，目前这样一个ELI ERIC将只包括捷克和匈牙利的设施，而罗马尼亚的设施将暂时搁置，等待有关伽马射线源的问题得到解决。据Weeks透露，他们的希望是，当罗马尼亚实验站“加快速度并准备好呈现给用户”时，它可以在晚些时候加入ELI ERIC。Weeks说：“因为‘ELI-NP’有很强的科学依据。”“它将把核科学和激光科学结合起来，创造出各种有趣的东西。” 事实上，在曲折中，ELI网站的工作人员和潜在用户都在关注着这个科学奖。Weeks说：“世界上从来没有这样规模的激光设备。”他补充说，虽然这肯定会带来挑战，但它也提供了机会，把这些实验站用作进一步发展激光科学的发射台，并使激光成为化学和材料科学等其他学科工作的更核心部分。 同时，ELI-NP的Dan Stutman认为，该项目所带来的能力将使一门学科的边界更加本土化。他说：“我有一种预感，这会产生新的物理学。我们正在探索自然中我们从未探索的角落。”

图1：ELI分布图

图2：ELI–Beamlines实验站结构