相信我們小時候都玩過放大鏡。

這么一塊小小的透鏡，就足以聚焦陽光將火柴點(diǎn)燃。

圖源：ctlives.com

那么請想象一下，如果是用一塊足球場那么大的放大鏡，能夠產(chǎn)生多高的溫度呢？

幾千度？幾萬度？

不，是上百萬度都不止！

??

我知道，這溫度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)突破了大家的想象力。但是，更讓人想不到的是，我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了這樣的高能量聚集！

01

巨型放大鏡

由中國科學(xué)院、中國工程物理研究院研制，建在中科院上海光機(jī)所的“神光II號”巨型激光器，就是由成百臺光學(xué)設(shè)備集成在一個足球場大小的空間內(nèi)的。

當(dāng)他的8束強(qiáng)激光通過放大鏈聚集到一個小小的燃料靶球時，在十億分之一秒的超短瞬間內(nèi)發(fā)射出的激光功率，是全球電網(wǎng)電力總和的數(shù)倍，這是相當(dāng)于太陽燃燒的能量，足以引發(fā)聚變反應(yīng)。

神光II

圖源：sohu.com

神光是高功率的脈沖激光器，非常強(qiáng)的激光被壓縮在非常短的時間內(nèi)輸出。

我們可能第一時間會想到，這么強(qiáng)的光是不是用來做激光武器？

不是的，神光II最為重要的目的是解決能源問題，即可控核聚變。

02

慣性約束核聚變

要了解可控核聚變，首先我們得清楚原子的變化反應(yīng)是怎么一回事。

原子的變化反應(yīng)有兩種，一個以原子彈為標(biāo)志的核裂變，另一個就是以氫彈為標(biāo)志的核聚變。

核聚變就是兩個質(zhì)量較輕的原子核，在極端高溫高壓高密度的條件下，融合成一個較重的原子核的過程。

而在此過程中，會有一點(diǎn)點(diǎn)的質(zhì)量虧損，根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程，這一點(diǎn)點(diǎn)的質(zhì)量乘以光速的平方，就能釋放出來巨大的能量。

氫彈的爆炸，需要原子彈的爆炸作為扳機(jī)，以此產(chǎn)生瞬間的高溫高壓高密度條件，進(jìn)而達(dá)到聚變的臨界條件。

但我們?nèi)绻霚睾偷乩煤司圩?，總不能到處引爆原子彈吧？所以，現(xiàn)在的問題就變成了，有什么方法能夠讓人類安全地“馴服”核聚變。

實(shí)現(xiàn)核聚變的方法，又有兩種：

一種是以強(qiáng)磁場約束托卡馬克聚變裝置為代表的磁約束法；

一種是以激光慣性約束核聚變“點(diǎn)火”裝置的慣性約束法。

隨著激光技術(shù)的發(fā)展，前蘇聯(lián)科學(xué)家巴索夫教授在1963年、中國科學(xué)家王淦昌院士在1964年分別獨(dú)立地提出了利用激光打在聚變?nèi)剂习猩蟻韺?shí)現(xiàn)受控?zé)岷朔磻?yīng)的構(gòu)想，由此開辟了實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)的重要途徑——激光慣性約束聚變。

不同于采用強(qiáng)磁場約束的托卡馬克裝置，激光慣性約束聚變裝置是利用功率巨大的激光照射到靶上，將燃料向內(nèi)壓縮。靶材料形成的等離子體，由于自身慣性還來不及向四周飛散就被加熱到極高溫度并發(fā)生聚變反應(yīng)。

圖源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/56773505

如上圖所示，其典型的整個反應(yīng)過程主要分四個階段：

靶丸表面吸收激光束能量，在靶丸表面形成等離子燒蝕層；

靶丸表面物質(zhì)向外噴射，同時產(chǎn)生反作用力，使燃料向心壓縮；

通過向心聚爆過程，燃料達(dá)到高溫高密度狀態(tài)；

燃料發(fā)生聚變反應(yīng)，最終向外釋放出巨大能量。

因?yàn)榘型枰话愣己苄?，和黃豆大小相等，而大功率多束激光裝置則是十足的巨無霸，簡直就是一大群高射炮打蚊子。

因此，激光核聚變過程的關(guān)鍵就是，如何通過巧妙的設(shè)計(jì)和布置使得激光束能夠瞬間照射在靶丸上。

03

神光II激光器的構(gòu)成

神光II激光器，正是能夠?qū)崿F(xiàn)將強(qiáng)光照射到靶丸上的裝置。

神光Ⅱ裝置是國內(nèi)首個集物理理論、診斷、制靶、物理實(shí)驗(yàn)和驅(qū)動器五位一體的綜合性激光慣性約束核聚變（ICF）研究平臺，也是我國在其后相當(dāng)長的一段時間內(nèi)進(jìn)行聚變研究的核心平臺之一，其基本物理目標(biāo)是推動我國ICF研究；其近中期目標(biāo)是在腔靶物理、內(nèi)爆動力學(xué)、輻射輸運(yùn)、狀態(tài)方程和X射線激光等方面做出前沿探索，滿足基礎(chǔ)研究與國防安全建設(shè)需求；其遠(yuǎn)期目標(biāo)是為實(shí)現(xiàn)清潔聚變能源這一滿足人類未來能源需求的終極目標(biāo)做出貢獻(xiàn)。

中國激光大科學(xué)裝置：神光Ⅱ高功率激光裝置

圖源：sohu.com

神光II激光器的結(jié)構(gòu)如下：

圖源：參考文獻(xiàn)2

前端激光分系統(tǒng)：主要功能是提供可整形的1ns的較長脈沖與另一種0.1ns（100ps）的較短脈沖，作為工程總體兩種脈沖工作模式的種子源，并實(shí)現(xiàn)多路激光高精度同步控制。

預(yù)放大器分系統(tǒng)：主要功能是提供整個放大鏈路的大部分增益，實(shí)現(xiàn)信號脈沖能量108倍的放大，采用的是經(jīng)典的MOPA結(jié)構(gòu)。

主激光放大器分系統(tǒng)：主要功能是實(shí)現(xiàn)8~10倍能量增益，提供全放大鏈路80%的激光能量。該分系統(tǒng)的主要特色包括：“四束合一”的新型列陣式光路構(gòu)型、國內(nèi)首次采用的多程放大構(gòu)型、8路主放大器輸出能量與波形平衡。

新型列陣式光路構(gòu)型將８路激光等分為２個集成束組，每個束組包含一套2×2列陣式同軸雙程放大器和一套2×2列陣式空間濾波器，每個空間濾波器 的長度為25m、口徑為0.8m。該類構(gòu)型普遍為神光Ⅱ升級裝置以及神光Ⅲ裝置等激光驅(qū)動器采用。

新型激光傳輸列陣式空間濾波器結(jié)構(gòu)圖?

圖源：參考文獻(xiàn)2

終端光學(xué)分系統(tǒng)：包含靶場系統(tǒng)、頻率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和傳輸聚焦組件三個主要的功能單元，適應(yīng)于激光驅(qū)動器功能拓展，神光Ⅱ裝置在國內(nèi)首次設(shè)計(jì)并采用的雙靶室構(gòu)型，包括ICF靶室與XRL靶室，普遍為其后研制的驅(qū)動器終端靶場采用。

ICF靶室為直徑為1600mm的不銹鋼球體，包括靶架安裝孔、診斷孔、觀察孔、安裝孔等共計(jì)125個窗口。

XRL靶室為內(nèi)徑為1200mm、長度為2770mm的圓柱形結(jié)構(gòu)，是一個多功能型靶室，光束經(jīng)過不同光學(xué)系統(tǒng)后可形成的線聚焦可用于XRL及其應(yīng)用，也可以形成較大輻照面積的靶面均勻照明，以開展高壓狀態(tài)方程等物理研究。

04

神光II的先進(jìn)技術(shù)

神光Ⅱ裝置在研制過程中，獨(dú)立自主地解決了一系列技術(shù)難題，創(chuàng)新集成了一系列新技術(shù)。主要包括：

創(chuàng)新設(shè)計(jì)并研制成功的無開關(guān)同軸雙程片狀主放大器，在國際上首次投入運(yùn)行；

在同軸雙程主放中創(chuàng)新開拓的帶濾波孔小園屏技術(shù)，解決了主放大器輸出能力問題；

首創(chuàng)調(diào)Q型損耗調(diào)制單縱模激光振蕩器核心新技術(shù)，在神光Ⅱ運(yùn)行中獲得國際同行矚目的高穩(wěn)定輸出；

創(chuàng)新型高穩(wěn)定性冷陰極閘流管控制的時空變換激光脈沖整形技術(shù)；

為解決激光靶精密瞄準(zhǔn)問題獨(dú)立發(fā)明的基頻和三倍頻嚴(yán)格同軸的高精度ICF靶場模擬光技術(shù)；

解決高均勻度線聚焦的凸柱面透鏡列陣創(chuàng)新設(shè)計(jì)工作；

最新開拓的高激光破壞閾值介質(zhì)膜平頂超高斯鋸齒軟邊光欄技術(shù)；

化學(xué)法制做有特色的高激光破壞閾值三倍頻晶體表面防潮增透膜技術(shù)；

高效快速自動準(zhǔn)直技術(shù)，解決了激光裝置全系統(tǒng)高精度自動準(zhǔn)直、瞄準(zhǔn)的關(guān)鍵等。

05

社會與經(jīng)濟(jì)效益

神光Ⅱ裝置的研制不僅為即將建造的下一代激光裝置提供極為寶貴的科學(xué)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，而且?guī)恿宋覈牧峡茖W(xué)(激光玻璃、激光晶體、非線性晶體)、精密光學(xué)加工與檢驗(yàn)(λ/10高平面度、低粗糙度、大口徑光學(xué)元件研磨技術(shù)、金剛石車床飛刀切削大口徑KDP晶體技術(shù))、介質(zhì)膜和化學(xué)膜層技術(shù)、高質(zhì)量大口徑氙燈工藝、精密機(jī)械和裝校工藝及高壓電能源系統(tǒng)、快速電子學(xué)、控制電子學(xué)、二元光學(xué)技術(shù)等相關(guān)學(xué)科或技術(shù)的跨越式發(fā)展。而這些相關(guān)學(xué)科技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)中的應(yīng)用前景將是相當(dāng)可觀的。

（a）大口徑釹玻璃工作物質(zhì)

（b）大口徑體吸收激光能量計(jì)

圖源：參考文獻(xiàn)2

神光Ⅱ裝置的建成并投入運(yùn)行，在我國的激光及光學(xué)界還具有特殊重要的意義。它標(biāo)志著我國已具備研制高質(zhì)量、更大型激光驅(qū)動器的綜合能力，并將繼續(xù)為我國的戰(zhàn)略能源、慣性約束聚變、X光激光和高能量密度物理等前沿基礎(chǔ)研究提供可靠的實(shí)驗(yàn)手段，具有潛在的經(jīng)濟(jì)效益和重大的社會效益。

參考文獻(xiàn)

[1]?慣性約束核聚變，或許是人類利用核能的另一種可能 - 知乎 (zhihu.com)

[2]?朱健強(qiáng),陳紹和,鄭玉霞,等.神光Ⅱ激光裝置研制[J].中國激光,2019,46(01):15-22.

[3]?林尊琪.激光核聚變的發(fā)展[J].中國激光,2010,37(09):2202-2207.

[4]?神光II高功率激光實(shí)驗(yàn)裝置研制.

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