100兆瓦雷射系統

強場物理與超快技術實驗室: http://hfp.phy.ncu.edu.tw/

100兆瓦雷射系統由中心的強場雷射成員(包含兩名碩士級專業技術人員)自力建造和維護並且配有四個雷射電漿實驗站。每個實驗站都具有六道光束同步照射的能力，每年可提供30週以上之 beam time。其中第一實驗站可提供30-40 nm，30飛秒EUV脈衝，第二實驗站可提供5-400 MeV，小於10飛秒電子脈衝和10 keV X光脈衝。完全氣密的實驗室空間約300平方米，內含強場雷射系統、雷射脈衝診斷系統、真空系統、實驗站、空調系統、乾燥空氣填充系統、輻射偵測系統、實驗控制和數據存取系統。目前此系統已吸引來自美國加州大學洛杉磯分校Chan Joshi教授、日本大阪大學藏滿康浩教授和中國北京清華大學魯巍教授、白植豪教授、華劍飛教授等等前來長期進行實驗並合作各項研究議題。未來強場雷射設施的升級需要一個地面穩定度更高的空間，將向中央大學申請支援地下室實驗室一間。

100兆瓦雷射升級：

隨著過去10年強場雷射技術的急速發展，全世界強場物理的研究也有了大幅的成長，當我們在2005年開始設計建造本設施時，全世界類似的系統不超過10套，到今天，根據國際超高強度雷射委員會(International Committee on Ultra-High Intensity Lasers, ICUIL)的統計，全世界在100兆瓦以上等級的雷射設施大約已有100處(參見圖25)，其中規模最大者座落於羅馬尼亞Horia Hulubei之國立物理與核子工程研究所(National Institute of Physics and Nuclear Engineering)內，由歐盟「極限光源基礎建設(Extreme Light Infrastructure, ELI)」之跨國研究計畫所支持，該設施於今年(2019)三月份達成10 PW之雷射尖峰功率輸出，並於十月份開始開放用戶申請使用。檢視目前全世界強場雷射設施的現況，尖峰功率高於100 TW的系統一般均隸屬於國家實驗室等級的大型設施，其建造成本與運作費用都非常高，以ELI計畫為例，其初期建造經費即高達2億8千萬歐元。考慮大學實驗室所能獲得的資源，100兆瓦等級的雷射系統是我們可以負擔的最大系統。與更大型的雷射設備相比，我們100兆瓦雷射的優勢在於其優秀的光束品質、精準的實驗控制能力、以及靈活的使用彈性。我們可以使用多道雷射束光進行複雜的實驗，並根據初步的實驗結果快速調整後續的執行方向。這是我們實驗室過去十年的整體策略，並以尖端的成果獲得國際知名度。

這次，在教育部高教深耕計畫的支持下，我們規劃進行了雷射系統的升級，進一步提昇光束品質，包含更換後級放大器激發雷射來提昇輸出能量與尖峰功率、建造新型環形再生放大器取代前級多通放大器來提高能量穩定度與時間對比度，目的即在於透過這一系列的升級來提昇本設施在全世界強場雷射系統中的競爭力。 為了提昇本設施雷射系統之光束品質，我們進行了兩項升級規劃。第一項是後級放大器激發雷射的更換，這是因為原有的激發雷射已經使用超過10年，原廠停產零組件，妥善率難以維持。所以我們在高教深耕計畫經費的支持下，於2018年12月時完成簽約，採購法國Thales公司所生產的高能脈衝雷射GAIA HP一套，以汰換整批舊有的激發雷射，本項採購於2019年11月完成出貨前的工廠測試(參見圖26)，規格與品質均符合合約要求，目前正進行裝運，預計12月底到貨，2020年1月底前完成安裝測試。而後即可進行後級放大器的調整，以提昇整體輸出能量與尖峰功率。同時，我們也已完成實驗室內部的改裝，包含水、電、空調等週邊系統，以配合此雷射的安裝。

第二項升級，我們規劃建造新型環形再生放大器，來取代雷射系統現有的前級多通放大器。與多通放大器比較，環形再生放大器配有共振腔結構，本身就是極佳的空間濾波器，因此輸出光束的橫向空間分佈品質會大幅提昇，同時其能夠任意調整脈衝放大趟數，所以可以確保放大器運作於飽和狀態，而增加輸出能量的穩定度，最後，由於其共振腔模態的限制，自發輻射放大的現象會被抑制，所以能大幅提昇輸出脈衝的時間對比度，這些改善都能大幅提昇最終雷射系統的輸出脈衝品質。目前我們已經完成環形再生放大器的設計與建造（圖27），正在進行詳細的測試，預定2020年初將上線使用。

2020年強場雷射實驗室獲得科技部特殊計畫補助，將建立一個200兆瓦的二氧化碳雷射。這個雷射將與現有的100兆瓦雷射共同運作，因此空間與水電冷氣等基礎設施都必須大幅增建。中央大學物理系提供原實驗室旁邊的空間，讓強場雷射實驗室擴大基地範圍。圖十二是規劃中的空間運用方案，其中二氧化碳雷射與新開發的軸子實驗均已納入。空間擴大工程現在正在進行中，預期在110年中完成。