“人類能夠制造最強的激光嗎？”“核聚變將最終成為未來的能源嗎？”這兩個問題出現在國際權威科研期刊《科學》（《Science》）發布的125個前沿科學問題中。 而要回答這兩個問題，都離不開激光聚變（ICF）這一領域。激光聚變是研究如何利用極強激光高效產生極強聚變能的重大領域，錢學森將其描述為“在地球上人造一個小太陽”。因此，ICF研究在清潔能源、前沿基礎等應用領域具有重大使命。 中國科學院上海光學精密機械研究所、中國工程物理研究院上海激光等離子體研究所經過十年的聯合研發，又通過了近十年的物理考核及高效運行，建成了我國首個數萬焦耳新型激光聚變點火研究平臺，實現了裝置輸出能力從千焦耳級提升至萬焦耳級的跨越。 目前，這一用于新型激光聚變研究的高效萬焦耳級釹玻璃激光裝置，整體處于國際先進水平，部分核心指標國際領先，是國際上能量最高的直接驅動研究平臺，標志著我國已成為除美國外唯一具有自主研制聚變級激光驅動器能力的國家。8月26日，記者從上海市科學技術獎勵大會上獲悉，這一項目榮獲2024年度上海科技進步一等獎。 【十年磨一劍】 眾所周知，激光聚變的反應條件極為苛刻，要求激光作用于靶丸，在十億分之一秒的時間內產生億度高溫與1000億大氣壓的極端物理狀態，驅動靶丸內爆產生聚變放能。因此，高精密激光聚變（ICF）實驗研究，首要條件是具備強大且可精密調控的高功率激光驅動器。 高功率激光驅動器是ICF研究的核心載體，也是支撐高能密度物理、天體物理、材料物理等學科研究的國家重大科技基礎設施。項目負責人朱健強研究員在該研究領域深耕三十余年，他告訴記者，驅動器規模龐大，成本高昂，其研制挑戰材料、技術與物理的極限，反映了一個國家的科技綜合實力。自上世紀90年代開始，美國集全球科技之力、耗資50億美元、歷時20余年攻關才建成國家點火裝置（NIF），又經10余年運行探索，2022年首次實現點火。 “十二五”期間，國家率先部署這一項目，挑戰單路激光萬焦耳級極限輸出能力。經過十年的潛心研究，2017年成功研制了數萬焦耳釹玻璃激光裝置。歷時近十年運行，該裝置累計提供了3000余發物理實驗，開啟了我國點火研究新階段，在聚變研究、高能量密度物理和國際合作等方面取得了一系列原創性重大成果，產生了重大社會經濟效益。 【大口徑四程激光高效放大總體技術】 攻克大口徑四程激光高效放大總體技術，為激光驅動器基頻高效輸出提供新技術路徑，是這一項目的創新成果之一。 研發團隊提出的“大口徑電光開關+內腔四程放大+兩程助推放大”構型，解決了放大過程中自激振蕩抑制、復雜時空耦合與傳輸等難題，放大器儲能提取效率由單通28%提升到四通60%，降低研制和運維成本約70%。“一般來說，儲能過程、提取能量的過程都是在瞬間發生的，驅動器的核心增益介質是一種特制的玻璃——釹玻璃，儲能過程一般是增益介質的微秒級上能級壽命，也就是10-4秒；提取能量的過程是納秒級，也就是10-9秒。”研發人員解釋，在如此短的時間內如果不解決放大過程中自激振蕩抑制、復雜時空耦合與傳輸等難題，放大器將只能輸出很低的激光能量，甚至無有效輸出。 同時，研發團隊提高了光束質量和基頻通量密度。為何要提高光束質量？研發人員解釋說，光束在釹玻璃放大器中傳輸放大過程中，激光能量極高、又是瞬間發生，存在很強的非線性調制，如果光束質量不穩定、分布不均勻，很有可能因為局部能量過強而損傷材料，降低全系統運行安全性，甚至導致整個裝置都無法運行。 為此，朱健強帶領研發團隊發展高精度自適應光學波前開環控制等技術，解決了多通放大波前殘余像差的動態補償難題，提高光束質量和基頻通量密度。這一項目實現了我國驅動器研制由單鏈路逐級放大到大口徑多程放大構型的代際跨越，為我國后續更大規模驅動器研制奠定了基礎。 【三倍頻紫外激光高通量負載技術】 如何將高能量激光安全地打到靶點上？研發團隊突破三倍頻紫外激光高通量負載技術，為激光驅動器三倍頻高能到靶奠定了堅實技術基礎。 物理上，用更短的波長的高功率激光，可以更高效率耦合進入靶丸，從而獲得更高的聚變能。因此釹玻璃放大器輸出的紅外激光需要經過頻率轉換到三倍頻的紫外波段。由于在紫外波段中，材料很容易損傷，所以對整體設備的各個細節都要求很高。 據介紹，設計基于共軸楔形靶鏡的多功能緊湊型終端光學組件，解決了復雜環境下的鬼像控制與規避、紫外熱像等難題，大幅提高了到靶能量。同時，研發團隊發展了兆聲波輔助氫氟酸去除工藝和設備，解決了楔形靶鏡等器件加工過程中產生的介觀表面缺陷問題。此外，研發團隊還發明了基于相干調制成像的三維光場測量技術，解決了紫外光場在線單次測量難題，實現三倍頻激光單路輸出能量。 【激光全域精密數字調控】 眾所周知，聚變過程對激光精密控制要求很高。比如，在波形控制方面，有些情況要求激光先弱后強、或者高足脈沖，有些情況要求等強度方波；在多路激光打靶方面，不同的物理實驗要求的激光束數不同，有些要求8束激光從8個方向，球對稱同步打到靶上而且每一束光的強度幾乎要一模一樣，以達到束間功率平衡；在打靶瞄準方面，要求經過數百米光程的激光聚焦后以數微米精度擊中靶丸，這等價于在上海發射的子彈擊中南京的乒乓球。“這就對控制的要求很高。”朱健強介紹說，研發團隊發明了激光全域精密數字調控技術，在激光剛產生時就進行整形、監測、反饋控制，逐步修正以達到平衡。 激光全域精密數字調控技術，為復雜物理實驗提供重要技術保障。單偏振精密時空調控種子源技術，建立了覆蓋全部功能種類的時標系統，具備了高精度脈沖控制、大范圍時域調控、長時間穩定運行能力。基于衍射元件的新型光束遠場準直方案及振動模態控制技術，有效抑制光束瞄靶微抖動。非線性數字反演及多點測控技術，解決了主放大鏈路、頻率變換等非線性過程中的波形調控難題。這一系列緊密相關的技術創新，滿足了用戶在快點火、間接驅動、狀態方程和X光激光等七大類精密物理實驗的要求，取得了系列原創性研究成果。
數萬焦耳新型激光聚變研究平臺。
朱健強研究員在指導學生。
高效萬焦耳級釹玻璃激光裝置研制團隊。
轉載請注明出處。
相關文章
熱門資訊
精彩導讀
關注我們
