1960 年激光問世不久，前蘇聯(lián)巴索夫院士、美國 Nuckolls與我國王淦昌教授等著名科學(xué)家，便敏銳地意識到能夠在實驗室內(nèi)創(chuàng)造極高功率密度的激光，產(chǎn)生高溫高壓條件，誘發(fā)核聚變，并在各自所在國獨立地推動了早期的激光聚變研究。今天，激光驅(qū)動慣性約束聚變(inertial confinemeut fusion，ICF)研究已成為重大前沿科技領(lǐng)域，是實驗室內(nèi)研究 ICF 和高能密度物理(high energy density science，HEDs)無可替代的主要技術(shù)途徑，更是未來人類創(chuàng)造可持續(xù)發(fā)展能源的主要技術(shù)途徑之一。
ICF 實現(xiàn)聚變點火的基本物理特點為采用高功率密度的能源來加熱燃燒靶丸，使其高度壓縮實現(xiàn)燃料的自持燃燒，從而達(dá)到熱核點火的條件，即所謂的“勞遜判據(jù)”。高功率激光作為ICF驅(qū)動條件具備精密可控的顯著優(yōu)勢，但在實驗室毫米空域、納秒時域尺度內(nèi)實現(xiàn)勞遜判據(jù)所要求的精確條件并非易事。首先，要求驅(qū)動激光脈沖有足夠高的能量和功率，同時還要求具有高光束品質(zhì)，包括激光波長、高光束質(zhì)量、高的打靶精度、精準(zhǔn)的脈沖波形和同步精度等。這些技術(shù)要求既為高功率激光技術(shù)研究和發(fā)展指明了方向，也對高功率固體激光裝置研制提出了巨大的挑戰(zhàn)。
上世紀(jì) 70年代，中國工程物理研究院于敏教授便提出，激光慣性約束聚變是一項非常復(fù)雜的大科學(xué)工程，涉及理論、實驗、診斷、制靶和激光驅(qū)動器等 5個方面的研究內(nèi)容和彼此之間的協(xié)調(diào)發(fā)展，即“五位一體”的發(fā)展思想。
目前，ICF研究與巨型激光驅(qū)動器總體水平已經(jīng)成為一個國家綜合國力的反映，代表一個國家在聚變科學(xué)與高能量密度科學(xué)研究領(lǐng)域的總體水平。目前，高功率激光技術(shù)研究已走過了輝煌的發(fā)展歷程，一代技術(shù)已成為歷史，二代技術(shù)已成為發(fā)展主流，三代技術(shù)嶄露頭角，預(yù)示著高功率固體激光技術(shù)發(fā)展旺盛的生命力。
上世紀(jì) 70年代起，美、中、英、法、日、俄等國相繼建造了多臺納秒脈沖寬度的釹玻璃激光裝置，能量從百焦耳級至數(shù)十千焦耳級。進(jìn)入 90年代，各發(fā)達(dá)國家紛紛著手建造更大規(guī)模的裝置，高功率激光技術(shù)發(fā)展跨入了新的歷史時期。90年代中期，美國利弗莫爾實驗室(LLNL)在全面發(fā)展新一代固體激光光學(xué)材料、單元技術(shù)和先進(jìn)總體設(shè)計技術(shù)的基礎(chǔ)上，率先啟動總投資數(shù)十億美元、為期十年的大科學(xué)工程，建造國家點火裝置(NIF)。法國原子能委員會(CEA)隨即開始建造與 NIF 類似規(guī)模的兆焦耳激光裝置(LMJ)，俄羅斯也計劃于 2017年底啟動世界上最強大的激光系統(tǒng) UFL-2M，將用于高能量密度物理和能源領(lǐng)域的研究。
超高超強短脈沖激光是高功率固體激光技術(shù)的另一個重要的方向。80年代中期發(fā)展起來的啁啾脈沖放大(CPA)技術(shù)是激光技術(shù)的新里程碑，超強超短脈沖激光技術(shù)在聚變快點火和許多交叉前沿學(xué)科以及國防應(yīng)用的牽引下迅速成為各科技強國關(guān)注的熱點，多臺皮秒和飛秒脈寬的拍瓦級超強激光裝置已經(jīng)建成或正在研制中，中物院實時開展了該技術(shù)路線下的超短超強脈沖激光裝置的研制。
2 高功率固體激光裝置的發(fā)展歷程
時任中物院副院長的王淦昌教授于 1964年提出了“利用大能量大功率光激射器產(chǎn)生中子的建議”，得到中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所(簡稱上海光機(jī)所)從事高功率激光技術(shù)研究的鄧錫銘等科學(xué)家的積極響應(yīng)，以及中國科學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)張勁夫的支持，從而初步醞釀和逐步形成了這一具有深遠(yuǎn)影響的研究領(lǐng)域。自此，我國高功率激光技術(shù)有了明確的發(fā)展方向，上海光機(jī)所是最早的研究基地，在該所的大力支持下，中物院也逐步成為了一個高功率激光技術(shù)的研究基地。
中美兩國均在上世紀(jì) 60 年代開始了應(yīng)用于ICF 的高功率激光驅(qū)動器的研究，如圖 1 所示，在 1973年，兩國都已研制成功可用于 ICF技術(shù)研究的激光驅(qū)動器。不幸的是，國際上在激光技術(shù)和等離子體物理諸方面不斷取得創(chuàng)新成果和重大突破的 10余年間，多方面的原因使我國的這項研究工作失去了重要發(fā)展期，美國在 70年代后期建成了 Argus 裝置，1978 年建造了規(guī)模更大的Shiva裝置，1982年開始建造更大功率的 Nova裝置，中國在 80年代初才開始大型激光裝置的預(yù)研工作。此時我國高功率激光技術(shù)已經(jīng)落后了美國很多。
圖1 國內(nèi)外主要的高功率固體激光裝置的發(fā)展歷程
盡管發(fā)展過程中面臨巨大困難，但在老一輩科學(xué)家的指引下，上海光機(jī)所和中物院兩支研究團(tuán)隊精誠協(xié)作，先后為我國研制了多臺固體激光裝置，主要包含星光系列和神光系列激光裝置。兩類裝置在 ICF研究中定位不同，因而在國內(nèi)形成了配套互補的 ICF 研究格局，促進(jìn)了中國 ICF研究的健康發(fā)展。星光系列激光裝置主要用于基礎(chǔ)實驗，在開展分解實驗和物理診斷設(shè)備考核標(biāo)定的同時，發(fā)展了多項激光新技術(shù)的預(yù)先研究，如三倍頻技術(shù)等；神光系列激光裝置主要用于較綜合的實驗，以上海光機(jī)所為主建設(shè)的神光-I和神光-II裝置對我國 ICF的技術(shù)發(fā)展起到了重要的推動作用。
于 1986年建成的神光-I裝置，其規(guī)模和性能與美國的 Argus 裝置相當(dāng)，標(biāo)志著我國基本上掌握了第一代高功率激光驅(qū)動器的關(guān)鍵技術(shù)，成為我國第一臺服務(wù)于 ICF 基礎(chǔ)實驗研究的高功率激光裝置。為更加有效地發(fā)揮該裝置的作用和兩個單位的優(yōu)勢，中物院與中科院在 1986年決定建立“高功率激光物理聯(lián)合實驗室”。為此，中物院派駐科研人員到上海嘉定，成立了激光實驗室，即現(xiàn)在的中物院上海激光等離子體研究所。中物院在該裝置上開展了一系列物理實驗，取得了可喜的成果，同時也鍛煉和成長了我國從事激光聚變研究的隊伍。1994 年，神光-I 激光裝置退役。神光-I裝置連續(xù)運行 8年，在 ICF和 X射線激光等前沿領(lǐng)域取得了一系列有國際水平的物理成果。
2001年由中物院、中國科學(xué)院共同投資研制的神光-II激光裝置投入運行。該裝置功率較之神光-I提高了約 4倍，8束激光輸出，具有三倍頻打靶能力。神光-II激光裝置自完成建造以后，開展了大量高水平、高能密度物理領(lǐng)域的分解物理實驗研究，得到了一批具有高精度和重復(fù)性好的高水平物理實驗結(jié)果。以神光-II激光裝置建成為標(biāo)志的實驗條件改善，使 ICF實驗研究進(jìn)入了一個新的時期，標(biāo)志著我國在這方面的研究從以基礎(chǔ)研究與能力發(fā)展為主要目標(biāo)轉(zhuǎn)變到以應(yīng)用基礎(chǔ)研究為主要目標(biāo)，并牽引能力發(fā)展。至今該裝置仍然在高能密度物理、能源和天體物理領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。
3 中國高功率固體激光技術(shù)研發(fā)歷程中兩次“突破”
中物院也先后研制了多臺激光裝置，如圖 2所示。以激光技術(shù)的特點區(qū)分，這些裝置可分為以星光-I、星光-II、神光-III 原型和神光-III 激光裝置為代表的高功率激光技術(shù)和以 SILEX-I和星光-III 激光裝置為代表的超短超強激光技術(shù)，多臺裝置的研制實現(xiàn)了中國高功率固體激光技術(shù)研發(fā)歷程中兩次重要“突破”。
圖 2 中物院高功率固體激光裝置研制的發(fā)展歷程
3.1 新一代高功率釹玻璃激光技術(shù)的突破
為進(jìn)一步提升 ICF基礎(chǔ)實驗研究效率，以及為高功率激光技術(shù)未來發(fā)展培養(yǎng)技術(shù)團(tuán)隊，在上海光機(jī)所的幫助下，中物院在八十年代后期研制成功規(guī)模稍小的星光系列裝置。90年代中物院審時度勢，實時啟動了以多程放大為基本技術(shù)特征的新一代高功率激光裝置(即神光-III激光裝置)概念研究和先期關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研。
3.1.1 星光-I激光裝置
1977年底，王淦昌教授率領(lǐng)中物院有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)和技術(shù)人員到上海光機(jī)所商談合作事宜，初步擬定雙方投資在上海光機(jī)所研制一臺1012W(2×800 J)的激光裝置LF-12(后稱神光-I激光裝置)。為了盡快開展物理實驗研究和培養(yǎng)中物院自己的激光隊伍，同時確定由上海光機(jī)所為中物院研制一臺輸出功率為1011W的單路激光裝置LF-11(后稱星光-I激光裝置)。中物院于1983年派出數(shù)名技術(shù)人員到上海光機(jī)所學(xué)習(xí)，形成了星光-I激光裝置運行維護(hù)和改進(jìn)提高的核心力量，誕生了中物院從事高功率激光技術(shù)工作的年輕科技隊伍。
星光-I激光裝置安裝在位于深山的中物院核物理與化學(xué)研究所舊址，于 1985年建成并驗收。星光-I激光裝置輸出光束口徑Ф70 mm，最高輸出能量 70 J。王淦昌教授曾親臨星光-I 激光裝置實驗室視察，見圖3。
圖 3 星光-I激光裝置 (a)星光-I激光裝置激光大廳；(b)王淦昌教授視察星光-I激光裝置
星光-I激光裝置在物理需求的牽引下，完成了多項國內(nèi)的首創(chuàng)工作，主要包含：
(1) 為了滿足間接驅(qū)動物理實驗要求，研制了我國第一臺腔靶小孔瞄準(zhǔn)定位系統(tǒng)(1986年)，解決了激光束精確引導(dǎo)和調(diào)焦的技術(shù)難題，實現(xiàn)了高精度、高效率激光束穿孔的目標(biāo)，奠定了我國ICF間接驅(qū)動物理實驗激光打靶的基礎(chǔ)。
(2) 為滿足我國 ICF物理實驗發(fā)展要求，研制了國內(nèi)第一臺實用的高功率釹玻璃激光高效率大口徑KDP晶體(Ф70 mm)二倍頻系統(tǒng)(1987年)，二倍頻效率達(dá)到 70%，接近當(dāng)時國際的先進(jìn)水平，填補了國內(nèi)大口徑高效率二倍頻應(yīng)用的空白。大口徑高效率諧波轉(zhuǎn)換技術(shù)的突破，奠定了我國后續(xù)大型激光裝置高效率諧波轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)。
(3) 大縱橫比激光線聚焦是實現(xiàn)激光泵浦的 X射線激光出光的關(guān)鍵技術(shù)之一，為解決這一技術(shù)難題，設(shè)計了非球面組合線聚焦光學(xué)系統(tǒng)，實現(xiàn)了大縱橫比線聚焦(30 mm×50 μm)(1988年)，使我國成為繼美國兩個月后在國際上第二個實現(xiàn)激光泵浦X射線激光(108.9 nm)出光的國家，奠定了我國X射線激光實驗線聚焦技術(shù)的基礎(chǔ)。
(4) 利用主激光束分光與空間光路延遲，采用受激布里淵散射技術(shù)產(chǎn)生零抖動同步精度的探針激光，在國內(nèi)首次獲得了不同時刻黑腔靶解體過程的圖像(1987年)，初步驗證了黑腔靶實驗的科學(xué)可行性，見圖4。
圖4 不同時刻柱形靶的解體照片(ΔT為主激光脈沖和探針光脈沖的延遲時間)
3.1.2 星光-II激光裝置
90 年代初，中物院遷址綿陽。同時，根據(jù)ICF物理實驗的新要求，于 1995年將星光-I激光裝置升級為星光-II激光裝置。由于星光-II激光裝置需具備用于ICF、X射線激光(XRL)和原子參數(shù)等基礎(chǔ)實驗與分解實驗，以及高功率激光技術(shù)研究的能力，因此在設(shè)計、研制星光-II 激光裝置的過程中，并沒有單純地追求裝置的激光能量指標(biāo)，而是以提高裝置的綜合性能指標(biāo)和運行效率為目的。同時以國內(nèi)成熟的激光單元技術(shù)為基礎(chǔ)，采用部分先進(jìn)技術(shù)，在保證裝置可靠、穩(wěn)定運行的前提下追求裝置的先進(jìn)性。星光-II激光裝置主要技術(shù)特點包含：
(1)裝置采用主動鎖模 -調(diào) Q 技術(shù)、負(fù)反饋控制單縱模技術(shù)，在亞納秒—納秒范圍內(nèi)實現(xiàn)了裝置輸出脈沖寬度的分段可調(diào)。
(2)采用偏振失配(Type II/Type II)三倍頻方案和倍頻、混頻晶體封裝于同一倍頻盒內(nèi)的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了二、三倍頻激光的高效轉(zhuǎn)換，三倍頻的最大外轉(zhuǎn)換效率為 65%，三倍頻技術(shù)水平達(dá)到了國際先進(jìn)水平；并成功解決了三波長分離、靶瞄準(zhǔn)和定位等技術(shù)問題，在國內(nèi)首次完成了三倍頻激光打靶物理實驗。
(3)靶場采用雙靶室結(jié)構(gòu)，有效地提高了全裝置的運行效率。其中 1號靶室建立了新的靶瞄準(zhǔn)定位系統(tǒng)，實現(xiàn)了用一種準(zhǔn)直光源對不同波長激光打靶的瞄準(zhǔn)定位，打靶精度達(dá)到±25 μm。
星光-II激光裝置主要技術(shù)指標(biāo)為：末級輸出口徑Ф180 mm，裝置可輸出三種波長，即 1.053 μm(基頻)、0.527 μm(二倍頻)和 0.351 μm(三倍頻)，脈沖寬度 0.2—0.9 ns和 1.5—5 ns，最高輸出能量260 J/1.053 μm 和 130 J/0.351 μm，光束可聚焦到7—10 倍衍射極限。它是當(dāng)時我國唯一一臺適于激光聚變等離子體實驗研究的高功率紫外光(激光波長為0.351 μm)激光裝置。圖5為星光-II激光裝置的總體概貌示意圖。
圖5 星光-II激光裝置的總體概貌示意圖
星光-II激光裝置在國內(nèi)首次進(jìn)行了三倍頻激光與平面靶、黑腔靶相互作用實驗，獲得了靶吸收效率、X光轉(zhuǎn)換效率和源區(qū)干凈性的實驗數(shù)據(jù)；在國內(nèi)第一次完成了單線類氖鈦 X射線激光增益實驗和類氖鋅出光實驗，開辟了中小型高功率固體激光裝置開展 X射線激光實驗研究的先例。
3.1.3 神光-II原型裝置
上世紀(jì)九十年代初，國家批準(zhǔn)激光驅(qū)動慣性約束聚變(ICF)成為國家高技術(shù)發(fā)展計劃的有機(jī)組成部分，ICF研究正式上升到國家層面，得到穩(wěn)定長期的國家支持，中國 ICF進(jìn)入了快速發(fā)展的階段。同時，美法兩國為了盡快實現(xiàn)實驗室內(nèi)聚變點火這一人類夢寐以求的科學(xué)目標(biāo)，以及積極應(yīng)對禁核試驗后核武器物理研究的困難局面，加快了巨型激光裝置的研發(fā)步伐。
中物院作為 ICF 高技術(shù)發(fā)展計劃的依托單位，及時啟動了神光-III 激光裝置的概念研究和先期關(guān)鍵技術(shù)研究，神光-III 原型裝置研制工作隨之展開。先后發(fā)展了一系列新一代單元關(guān)鍵技術(shù)，研制出了大尺寸高性能的釹玻璃、脈沖氙燈、KDP晶體等高功率光學(xué)元(器)件，特別是大口徑精密光學(xué)加工、鍍膜、潔凈控制、檢測、裝校技術(shù)和工程能力等有了大幅度提高。
神光-III 原型裝置工程研制于 2000 年正式啟動。中物院激光聚變研究中心作為工程實施責(zé)任主體，邊設(shè)計，邊攻關(guān)，邊實施，聯(lián)合全國優(yōu)勢單位，于 2003年實現(xiàn)了首束出光，2005年首束達(dá)標(biāo)，2007年全面建成并通過國家驗收，實現(xiàn)了中國新一代高功率激光裝置研發(fā)的突破。
神光-III原型裝置總體概貌如圖6所示。神光-III 原型裝置采用“四程放大”以及“方形光束、組合口徑、陣列結(jié)構(gòu)”為主要特征的總體技術(shù)路線，并根據(jù)我國具體情況有所發(fā)展和創(chuàng)新，總體設(shè)計融合了相關(guān)領(lǐng)域或行業(yè)的先進(jìn)技術(shù)和成功經(jīng)驗，實現(xiàn)了從一代技術(shù)到二代技術(shù)的跨越。其主要性能參數(shù)為8束口徑為29 cm×29 cm激光，三倍頻波長和脈寬為 1 ns—3 ns 脈寬時，每束可輸出能量1.2 kJ—1.8 kJ。
圖6 神光-III原型裝置總體概貌示意圖
神光-III 原型裝置研制過程中，獨立自主地解決了一系列科學(xué)技術(shù)問題，創(chuàng)造了多個國內(nèi)“首次”，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
(1)采用非對稱變口徑光束傳輸、光束角旋轉(zhuǎn)隔離和光束旋轉(zhuǎn)補償?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)，通過系統(tǒng)優(yōu)化組合，研制成功具有一定特色和較好增益特性的四程放大系統(tǒng)，使我國成為國際上少數(shù)幾個系統(tǒng)掌握多程放大技術(shù)的國家。
(2)采用理論與基準(zhǔn)實驗相結(jié)合的研究方法，較好地解決了多程放大系統(tǒng)的關(guān)鍵理論問題，準(zhǔn)確地給出了系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵判據(jù)——B積分判據(jù)。
(3)采用“連續(xù)相位板整形與光譜色散勻滑”的技術(shù)路線，實現(xiàn)了靶面光強的精密控制，裝置束勻滑輸出性能達(dá)到了國際先進(jìn)水平。
(4)采用“單脈沖與并聯(lián)驅(qū)動”技術(shù)，研制成功高性能、多單元的等離子體電極電光開關(guān)系統(tǒng)，使我國成為世界上第二個掌握這一核心技術(shù)的國家。
(5)基于“高速電子學(xué)實現(xiàn)脈沖時間整形技術(shù)”研制成功的全固化、全光纖前端系統(tǒng)，為裝置提供了穩(wěn)定可靠的激光種子光源，同時解決了甚多束激光柔性分光，精密同步以及光路靈活布局等難題，使我國成為世界上第二個系統(tǒng)掌握這一關(guān)鍵技術(shù)的國家。
(6)在國際上首次成功地采用基于“液晶光閥調(diào)制原理的光束空間整形”技術(shù)，實現(xiàn)了裝置輸出光束近場分布的主動控制。
(7)采用“預(yù)電離＋電容接地”技術(shù)路線，研制成功了電磁兼容性好、儲能密度較高、自動控制程度高的新型模塊化能源組件，組件總體技術(shù)水平和性能接近國際先進(jìn)水平。
(8)研制成功集高效率三次諧波轉(zhuǎn)換、高精密聚焦、高精度衍射取樣測量等多功能為一體的終端光學(xué)組件，為進(jìn)一步提高裝置總體負(fù)載能力提供了極為寶貴的經(jīng)驗。
(9)在國內(nèi)首次采用“多光束時空編碼并行引導(dǎo)＋靶面共軛式直接診斷”技術(shù)，實現(xiàn)了靶場系統(tǒng)多束激光快速精確引導(dǎo)和基準(zhǔn)物理實驗靶的精密定位。
(10)在國內(nèi)首次實現(xiàn)了高功率激光驅(qū)動器全裝置、全流程的集中指揮控制和管理。
(11)實現(xiàn)了 300 mm方形口徑 KDP晶體材料的生產(chǎn)、加工、鍍膜等全流程工藝，300 mm方形口徑 KDP晶體基本滿足了原型裝置電光開關(guān)與終端光學(xué)組件等關(guān)鍵單元工程研制的基本要求，其主要性能指標(biāo)接近國際先進(jìn)水平。
(12)在國內(nèi)首次研制成功了以“成像曝光＋離子刻蝕”為主工藝的 300 mm 方形口徑光束取樣元件(BSG)，實現(xiàn)了高能量三倍頻激光脈沖能量測量的精密取樣。
作為我國 ICF 研究“十一五”和“十二五”期間的主力驅(qū)動器，神光-III 原型裝置開展了一系列物理實驗。截止到 2015年底，神光-III原型裝置已經(jīng)累計提供了有效打靶發(fā)次 2000多發(fā)，打靶成功率超過 90%；各類基于高功率固體激光裝置開展的物理實驗取得了長足的進(jìn)展。
神光-III 原型裝置研制成功，集中體現(xiàn)了我國十幾年來在高功率激光驅(qū)動器方面的研究成果，達(dá)到了裝置研制的科學(xué)和任務(wù)目標(biāo)，使我國具備了從事高能量密度科學(xué)等領(lǐng)域基礎(chǔ)研究的平臺和必要的技術(shù)手段，并推動了物理診斷和制靶技術(shù)的發(fā)展。同時實現(xiàn)了我國高功率激光驅(qū)動器科學(xué)技術(shù)與工程研究由“跟蹤模仿”到“局部創(chuàng)新”的轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)了我國高功率激光驅(qū)動器總體建設(shè)水平“升級換代、邁上臺階”的跨越。另外，裝置的建設(shè)也促進(jìn)了我國高功率激光驅(qū)動器研制體系的建設(shè)，培養(yǎng)和鍛煉了科學(xué)技術(shù)研究、工程實施和管理方面的隊伍，形成新一代高功率激光驅(qū)動器的綜合設(shè)計、建造能力。
3.1.4 神光-III激光裝置
神光-III 激光裝置是開展聚變點火前重要物理過程研究的重要設(shè)施，可為更大規(guī)模驅(qū)動器研制奠定基礎(chǔ)，重點解決更大能量激光驅(qū)動器建設(shè)的工程化、規(guī)模化問題。
神光-III激光裝置實驗室于2007年2月4日在中物院激光聚變研究中心破土奠基。神光-III 激光裝置通光口徑增大到 40 cm×40 cm，由 48束激光組成，脈寬3—5 ns，三倍頻波長，可以輸出約180 kJ 的能量。這是國際上繼美國 NIF、法國LMJ裝置之后在建的第三大激光裝置，也是我國有史以來最大的光學(xué)工程。
神光-III激光裝置于2011年底實現(xiàn)了首束組出光，2013年出光束數(shù)達(dá)到了32束，裝置進(jìn)入了邊集成、邊提供物理實驗的階段。2015年9月，神光-III激光裝置建成，裝置首次實現(xiàn)了48束180 kJ/3 ns、峰值功率60 TW的測試輸出，裝置由此正式全面投入使用，具備全束組打靶能力。該裝置規(guī)模和輸出能力是目前世界第二、亞洲第一，性能指標(biāo)先進(jìn)的高功率固體激光裝置，是中國光學(xué)工程領(lǐng)域發(fā)展歷程中的標(biāo)志性設(shè)施。神光-III 裝置總體概貌如圖7所示。
圖7 神光-III激光裝置總體概貌示意圖
2013—2015 年，神光-III 激光裝置圓滿完成了數(shù)輪物理實驗，共計打靶 465發(fā)。各類綜合性的實驗方面已取得了重要進(jìn)展。裝置目前已形成日均打靶 2發(fā)的運行能力，并隨著裝置整體磨合不斷深入，運行效率已呈快速上升之勢。
神光-III 激光裝置成功運行不但大幅提升了我國高能量密度物理的研究能力，也集中體現(xiàn)了我國高功率固體激光技術(shù)與工程的“五大進(jìn)步”：
(1)系統(tǒng)掌握了以“三大物理基礎(chǔ)(泵浦與放大動力學(xué)、傳輸動力學(xué)和損傷動力學(xué))、三個設(shè)計階段(可行性研究、初步設(shè)計和工程設(shè)計)、四大設(shè)計基線(輸出能力、光束質(zhì)量、精密調(diào)控和三性管控)、六類設(shè)計要素(光、機(jī)、電、控、測、裝)”為主要特征的巨型高功率固體激光裝置的總體設(shè)計方法與技術(shù)，實現(xiàn)了總體設(shè)計與驗證的系統(tǒng)化、規(guī)范化。
(2)系統(tǒng)掌握了以“三大階段(加工制造、安裝集成和聯(lián)機(jī)調(diào)試)、三類基線(安裝精度線、環(huán)境潔凈線和集成效率線)、三性驗證(工程設(shè)計符合性、加工制造匹配性和工程實施保障性)、三類評估(集成評估、性能評估、運行評估)”為主要特征的巨型高功率固體激光裝置的總體集成方法與技術(shù)，基本實現(xiàn)了批量安裝集成的流程化、規(guī)范化。
(3)采用成組技術(shù)實現(xiàn)了巨型高功率固體激光裝置基本結(jié)構(gòu)的“元件標(biāo)準(zhǔn)化、單元模塊化、系統(tǒng)陣列化、裝置一體化”，構(gòu)建了涵蓋總體、系統(tǒng)、組(部)件、單元/模塊、光學(xué)元(器)件五個層次的“模塊化”結(jié)構(gòu)框架和性能指標(biāo)體系。
(4)系統(tǒng)掌握了巨型高功率固體激光裝置三大主體結(jié)構(gòu)(激光大廳束組、靶區(qū)編組站和真空靶室)的設(shè)計、驗證、制造、安裝和調(diào)試等關(guān)鍵技術(shù)與工藝，以直徑 6 m的真空靶室為代表，實現(xiàn)了潔凈控制和“高塔”式穩(wěn)定支撐結(jié)構(gòu)。
(5)突破或掌握一批關(guān)鍵技術(shù)(高精度“種子光源”、高品質(zhì)激光束的預(yù)放大、精密同步、輻射定標(biāo)損傷檢測、全光路精密波前校正、甚多束光路自動準(zhǔn)直、自動化靶瞄準(zhǔn)定位、計算機(jī)集中控制、高效諧波轉(zhuǎn)換、靶面光強精密控制、“一擱準(zhǔn)”精密安裝、超精密光學(xué)加工等)，并成功應(yīng)用于神光-III激光裝置，功能基本實現(xiàn)，性能顯著提高。
(6)神光-III 激光裝置的研制，凝集了我國在激光技術(shù)、光學(xué)工程、脈沖功率、精密機(jī)械、快電子學(xué)、自動控制、化學(xué)清洗、先進(jìn)光學(xué)制造等多個學(xué)科領(lǐng)域的頂尖技術(shù)成就，標(biāo)志著我國在巨型激光驅(qū)動器方面的總體設(shè)計、總體集成、關(guān)鍵技術(shù)、加工制造、光學(xué)檢測、潔凈清洗、精密裝校、支撐保障等核心能力方面實現(xiàn)了體系化發(fā)展與能力，面向更大規(guī)模的 ICF激光驅(qū)動器研制的光學(xué)工程體系已基本形成。在未來相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，神光-III激光裝置將成為我國ICF物理實驗研究的核心平臺。
3.2 超強超短脈沖激光技術(shù)的突破
自激光發(fā)明以來，高峰值功率就是高功率激光技術(shù)發(fā)展追求的科學(xué)目標(biāo)之一。上世紀(jì)八十年代中后期，啁啾脈沖放大(CPA)技術(shù)的發(fā)明促進(jìn)了超強超短脈沖激光技術(shù)跨越式發(fā)展。
高功率超短脈沖激光技術(shù)發(fā)展從技術(shù)特點和應(yīng)用背景上看，出現(xiàn)了兩條技術(shù)途徑，即以釹玻璃做放大介質(zhì)的皮秒大能量型和以鈦寶石做放大介質(zhì)的飛秒高功率型，能夠輸出數(shù)百太瓦至拍瓦的激光脈沖，聚焦功率密度達(dá)到 1021—1022 W/cm2，可在實驗室中產(chǎn)生類似星體內(nèi)部和爆炸時的極端物態(tài)條件，為諸多前沿學(xué)科、國防科研、國計民生一些重要領(lǐng)域提供前所未有的研究平臺和技術(shù)手段。國際上各發(fā)達(dá)國家在近10年來紛紛投入力量，相繼建造了多臺超強超短脈沖激光裝置。為了提高科研創(chuàng)新能力和核心競爭能力，中物院也適時開展了超短超強激光技術(shù)的研究。
3.2.1 SILEX-I激光裝置
中物院激光聚變研究中心經(jīng)過 3 年的努力，于 2004年初建成了我國第一臺 300 TW/30 fs鈦寶石激光裝置 SILEX-I，其綜合技術(shù)指標(biāo)和性能達(dá)到當(dāng)時的國際領(lǐng)先水平。建成后一直為高能量密度物理研究提供運行打靶，是當(dāng)時世界上為數(shù)不多能夠穩(wěn)定運行的飛秒激光裝置，吸引了數(shù)十位國內(nèi)外同行前來合作開展實驗研究，取得了多項具有較高學(xué)術(shù)價值的研究成果。SILEX-I 激光裝置如圖8所示。
圖8 SILEX-I鈦寶石激光裝置
3.2.2 星光-III激光裝置
在突破百焦耳級高能皮秒激光總體及關(guān)鍵技術(shù)，并完成綜合驗證的基礎(chǔ)上，基于星光-II裝置和SILEX-I裝置的基礎(chǔ)，開展了星光裝置的升級。即基于 SILEX-I超短脈沖激光裝置獲得拍瓦級飛秒激光束，基于 2×1組合口徑多程放大集成實驗平臺獲得拍瓦級皮秒激光束和千焦級納秒激光束。2013年，采用獨創(chuàng)的“零抖動”技術(shù)，建成了國際上首臺“零抖動”同步輸出納秒、皮秒和飛秒三種脈沖寬度，527 nm、1053 nm和 800 nm三種波長激光，且具備多組合、多角度靈活打靶能力的多功能強輻射源激光裝置——星光-III激光裝置。星光-III激光裝置的總體概貌如圖9所示。
圖 9 星光-III激光裝置總體概貌示意圖
星光-III 激光裝置同時輸出的三束激光可互為驅(qū)動源和探針光，具備相互正交及多角度、多組合打靶的特點。中物院在裝置建設(shè)過程中突破并解決了多項技術(shù)難題，在短脈沖焦斑控制技術(shù)、光柵拼接壓縮技術(shù)等方面達(dá)到國際先進(jìn)水平，聚焦功率密度等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)與國際在役裝置相當(dāng)。
星光-III 激光裝置現(xiàn)已投入高能量密度物理實驗運行，并將向國內(nèi)外開放。目前星光-III 激光裝置已經(jīng)為 20 余類物理實驗研究提了數(shù)百發(fā)次運行，獲得了1.45 GeV單能電子束輸出，激光質(zhì)子加速能量達(dá)到了 20 MeV 并用于質(zhì)子照相，激光中子源實現(xiàn)了 5×108單發(fā)輸出等等。這些處于國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)水平的研究成果，有力地支撐了相關(guān)高能量密度物理研究。該裝置的建設(shè)完成顯著提升了我國在超高功率超短脈沖激光技術(shù)研究領(lǐng)域的水平與地位，并將為世界高能量密度物理研究創(chuàng)造良好的實驗平臺。
4 高功率固體激光技術(shù)的發(fā)展趨勢
縱觀高功率固體激光裝置研制與發(fā)展數(shù)十年以來的成果與未來需求的牽引，一代高功率固體激光技術(shù)已成為歷史；二代高功率激光技術(shù)欣欣向榮，成為主流技術(shù)途徑；三代高功率激光技術(shù)已嶄露頭角，顯示出強大的生命力。
(1)第一代高功率固體激光技術(shù)：以 ICF基礎(chǔ)研究為主要牽引目標(biāo)，激光裝置最基本的技術(shù)特征是采用“主振蕩器＋功率放大”(MOPA)技術(shù)路線，具有圓光束、單口徑和分離式等基本特征，能量轉(zhuǎn)換效率較低。第一代技術(shù)以美國LLNL于1984年建成的Nova裝置為代表。
(2)第二代高功率固體激光技術(shù)：以實現(xiàn)實驗室條件下的激光聚變點火為主要牽引目標(biāo)，激光裝置輸出能量達(dá)到數(shù)百萬焦耳、功率達(dá)到數(shù)百太瓦，其主要技術(shù)特征是在第一代 MOPA的基礎(chǔ)上采用大口徑方形光束、多程放大技術(shù)和集成陣列結(jié)構(gòu)，二代裝置具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率和性價比。第二代技術(shù)以美國 LLNL 的 NIF為代表。
(3) 第三代高功率固體激光技術(shù)：重點針對“點火后”的需求，代表著更長遠(yuǎn)的高功率固體激光裝置的發(fā)展方向，主要包含高能量密度科學(xué)(HEDs)研究和激光聚變能源(LIFE)開發(fā)。面向HEDs 的激光裝置是基于啁啾脈沖放大技術(shù)或參量放大技術(shù)，將激光脈沖峰值功率由目前數(shù)百拍瓦量級推向艾瓦量級(1018 W)。面向 LIFE 的激光裝置要實現(xiàn)高效率(裝置總體能量轉(zhuǎn)換效率由目前不到1%提升到10%以上)、高重頻(發(fā)射周期由目前的數(shù)小時提升至亞秒量級)、高光束質(zhì)量(發(fā)展若干新技術(shù)實現(xiàn)光束空域、時域、頻域、偏振的全面控制)和高可靠性。
5 結(jié)束語
數(shù)十年來，中物院的激光聚變研究取得了令人欣慰的長足進(jìn)步，在國際上已占有重要地位。中物院高功率固體激光技術(shù)與裝置的研發(fā)隊伍成為我國百萬焦耳級激光裝置的中堅力量，實現(xiàn)與國際先進(jìn)水平“并駕齊驅(qū)”的能力，同時帶動了國內(nèi)高功率激光材料、光學(xué)加工、脈沖功率技術(shù)和精密機(jī)械加工等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
今天，中物院迎來了激光聚變事業(yè)發(fā)展新的歷史機(jī)遇，ICF研究已形成美、中、歐三足鼎立之勢，成為顯示我國綜合國力和核心競爭力的重要標(biāo)志之一。
以史為鑒，既要向前看，也要學(xué)習(xí)總結(jié)過去，即在 ICF 和 HEDs 需求牽引下，充分吸取以往裝置研制的成功經(jīng)驗和教訓(xùn)，以現(xiàn)役裝置為載體，通過繼承、創(chuàng)新，不斷考核與驗證裝置輸出能力、光束質(zhì)量、控制能力和裝置“三性”(可靠性、可用性和維護(hù)性)，同時提升巨型激光裝置安裝集成精度和效率，夯實我國百萬焦耳級激光裝置技術(shù)與工程基礎(chǔ)。
致 謝 在文章編寫和修改中，中物院激光聚變研究中心相關(guān)科研人員提出了許多中肯建議，并給予了協(xié)助，他們是李明中、景峰、隋展、袁曉東、朱啟華、李平、王文義、李富全、粟敬欽、胡東霞等，在此一并致謝。
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