相信我們(men) 小時候都玩過放大鏡。

這麽(me) 一塊小小的透鏡，就足以聚焦陽光將火柴點燃。

圖源：ctlives.com

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

幾千度？幾萬(wan) 度？

不，是上百萬(wan) 度都不止！

我知道，這溫度已經遠遠突破了大家的想象力。但是，更讓人想不到的是，我們(men) 已經實現了這樣的高能量聚集！

01

巨型放大鏡

由中國科學院、中國工程物理研究院研製，建在中科院上海光機所的“神光II號”巨型激光器，就是由成百台光學設備集成在一個(ge) 足球場大小的空間內(nei) 的。

當他的8束強激光通過放大鏈聚集到一個(ge) 小小的燃料靶球時，在十億(yi) 分之一秒的超短瞬間內(nei) 發射出的激光功率，是全球電網電力總和的數倍，這是相當於(yu) 太陽燃燒的能量，足以引發聚變反應。

神光II

圖源：sohu.com

神光是高功率的脈衝(chong) 激光器，非常強的激光被壓縮在非常短的時間內(nei) 輸出。

我們(men) 可能第一時間會(hui) 想到，這麽(me) 強的光是不是用來做激光武器？

不是的，神光II最為(wei) 重要的目的是解決(jue) 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(men) 得清楚原子的變化反應是怎麽(me) 一回事。

原子的變化反應有兩(liang) 種，一個(ge) 以原子彈為(wei) 標誌的核裂變，另一個(ge) 就是以氫彈為(wei) 標誌的核聚變。

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

而在此過程中，會(hui) 有一點點的質量虧(kui) 損，根據愛因斯坦的質能方程，這一點點的質量乘以光速的平方，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(wei) 扳機，以此產(chan) 生瞬間的高溫高壓高密度條件，進而達到聚變的臨(lin) 界條件。

但我們(men) 如果想溫和地利用核聚變，總不能到處引爆原子彈吧？所以，現在的問題就變成了，有什麽(me) 方法能夠讓人類安全地“馴服”核聚變。

實現核聚變的方法，又有兩(liang) 種：

一種是以強磁場約束托卡馬克聚變裝置為(wei) 代表的磁約束法；

一種是以激光慣性約束核聚變“點火”裝置的慣性約束法。

隨著激光技術的發展，前蘇聯科學家巴索夫教授在1963年、中國科學家王淦昌院士在1964年分別獨立地提出了利用激光打在聚變燃料靶上來實現受控熱核反應的構想，由此開辟了實現受控熱核聚變反應的重要途徑——激光慣性約束聚變。

不同於(yu) 采用強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(nei) 壓縮。靶材料形成的等離子體(ti) ，由於(yu) 自身慣性還來不及向四周飛散就被加熱到極高溫度並發生聚變反應。

圖源：

如上圖所示，其典型的整個(ge) 反應過程主要分四個(ge) 階段：

靶丸表麵吸收激光束能量，在靶丸表麵形成等離子燒蝕層；

靶丸表麵物質向外噴射，同時產(chan) 生反作用力，使燃料向心壓縮；

通過向心聚爆過程，燃料達到高溫高密度狀態；

燃料發生聚變反應，最終向外釋放出巨大能量。

因為(wei) 靶丸一般都很小，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(guan) 鍵就是，如何通過巧妙的設計和布置使得激光束能夠瞬間照射在靶丸上。

03

神光II激光器的構成

神光II激光器，正是能夠實現將強光照射到靶丸上的裝置。

神光Ⅱ裝置是國內(nei) 首個(ge) 集物理理論、診斷、製靶、物理實驗和驅動器五位一體(ti) 的綜合性激光慣性約束核聚變（ICF）研究平台，也是我國在其後相當長的一段時間內(nei) 進行聚變研究的核心平台之一，其基本物理目標是推動我國ICF研究；其近中期目標是在腔靶物理、內(nei) 爆動力學、輻射輸運、狀態方程和X射線激光等方麵做出前沿探索，滿足基礎研究與(yu) 國防安全建設需求；其遠期目標是為(wei) 實現清潔聚變能源這一滿足人類未來能源需求的終極目標做出貢獻。

中國激光大科學裝置：神光Ⅱ高功率激光裝置

圖源：sohu.com

神光II激光器的結構如下：

圖源：參考文獻2

前端激光分係統：主要功能是提供可整形的1ns的較長脈衝(chong) 與(yu) 另一種0.1ns（100ps）的較短脈衝(chong) ，作為(wei) 工程總體(ti) 兩(liang) 種脈衝(chong) 工作模式的種子源，並實現多路激光高精度同步控製。

預放大器分係統：主要功能是提供整個(ge) 放大鏈路的大部分增益，實現信號脈衝(chong) 能量108倍的放大，采用的是經典的MOPA結構。

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

新型列陣式光路構型將８路激光等分為(wei) ２個(ge) 集成束組，每個(ge) 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(ge) 空間濾波器 的長度為(wei) 25m、口徑為(wei) 0.8m。該類構型普遍為(wei) 神光Ⅱ升級裝置以及神光Ⅲ裝置等激光驅動器采用。

新型激光傳(chuan) 輸列陣式空間濾波器結構圖 

圖源：參考文獻2

終端光學分係統：包含靶場係統、頻率轉換係統和傳(chuan) 輸聚焦組件三個(ge) 主要的功能單元，適應於(yu) 激光驅動器功能拓展，神光Ⅱ裝置在國內(nei) 首次設計並采用的雙靶室構型，包括ICF靶室與(yu) XRL靶室，普遍為(wei) 其後研製的驅動器終端靶場采用。

ICF靶室為(wei) 直徑為(wei) 1600mm的不鏽鋼球體(ti) ，包括靶架安裝孔、診斷孔、觀察孔、安裝孔等共計125個(ge) 窗口。

XRL靶室為(wei) 內(nei) 徑為(wei) 1200mm、長度為(wei) 2770mm的圓柱形結構，是一個(ge) 多功能型靶室，光束經過不同光學係統後可形成的線聚焦可用於(yu) XRL及其應用，也可以形成較大輻照麵積的靶麵均勻照明，以開展高壓狀態方程等物理研究。

04

神光II的先進技術

神光Ⅱ裝置在研製過程中，獨立自主地解決(jue) 了一係列技術難題，創新集成了一係列新技術。主要包括：

創新設計並研製成功的無開關(guan) 同軸雙程片狀主放大器，在國際上首次投入運行；

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

首創調Q型損耗調製單縱模激光振蕩器核心新技術，在神光Ⅱ運行中獲得國際同行矚目的高穩定輸出；

創新型高穩定性冷陰極閘流管控製的時空變換激光脈衝(chong) 整形技術；

為(wei) 解決(jue) 激光靶精密瞄準問題獨立發明的基頻和三倍頻嚴(yan) 格同軸的高精度ICF靶場模擬光技術；

解決(jue) 高均勻度線聚焦的凸柱麵透鏡列陣創新設計工作；

最新開拓的高激光破壞閾值介質膜平頂超高斯鋸齒軟邊光欄技術；

化學法製做有特色的高激光破壞閾值三倍頻晶體(ti) 表麵防潮增透膜技術；

高效快速自動準直技術，解決(jue) 了激光裝置全係統高精度自動準直、瞄準的關(guan) 鍵等。

05

社會(hui) 與(yu) 經濟效益

神光Ⅱ裝置的研製不僅(jin) 為(wei) 即將建造的下一代激光裝置提供極為(wei) 寶貴的科學技術經驗，而且帶動了我國材料科學(激光玻璃、激光晶體(ti) 、非線性晶體(ti) )、精密光學加工與(yu) 檢驗(λ/10高平麵度、低粗糙度、大口徑光學元件研磨技術、金剛石車床飛刀切削大口徑KDP晶體(ti) 技術)、介質膜和化學膜層技術、高質量大口徑氙燈工藝、精密機械和裝校工藝及高壓電能源係統、快速電子學、控製電子學、二元光學技術等相關(guan) 學科或技術的跨越式發展。而這些相關(guan) 學科技術在國民經濟中的應用前景將是相當可觀的。

（a）大口徑釹玻璃工作物質

（b）大口徑體(ti) 吸收激光能量計

圖源：參考文獻2

神光Ⅱ裝置的建成並投入運行，在我國的激光及光學界還具有特殊重要的意義(yi) 。它標誌著我國已具備研製高質量、更大型激光驅動器的綜合能力，並將繼續為(wei) 我國的戰略能源、慣性約束聚變、X光激光和高能量密度物理等前沿基礎研究提供可靠的實驗手段，具有潛在的經濟效益和重大的社會(hui) 效益。

參考文獻

[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,陳紹和,鄭玉霞,等.神光Ⅱ激光裝置研製[J].中國激光,2019,46(01):15-22.

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

[4] 神光II高功率激光實驗裝置研製.

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