中國高功率固體激光技術發展中的兩次突破

時間:2019-01-02 10:28來源:中國物理學會期刊網作者:Peter 點擊:
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摘要:1960 年激光問世不久,前蘇聯巴索夫院士、美國 Nuckolls與我國王淦昌教授等著名科學家,便敏銳地意識到能夠在實驗室內創造極高功率密度的激光,產生高溫高壓條件,誘發核聚變,并在各自所在國獨立地推動了早期的激光聚變研究。今天,激光驅動慣性約束聚變(inertial confinemeut fusion,ICF)研究已成為重大前沿科技領域,是實驗室內研究 ICF 和高能密度物理(high energy density science,

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1960 年激光問世不久,前蘇聯巴索夫院士、美國 Nuckolls與我國王淦昌教授等著名科學家,便敏銳地意識到能夠在實驗室內創造極高功率密度的激光,產生高溫高壓條件,誘發核聚變,并在各自所在國獨立地推動了早期的激光聚變研究。今天,激光驅動慣性約束聚變(inertial confinemeut fusion,ICF)研究已成為重大前沿科技領域,是實驗室內研究 ICF 和高能密度物理(high energy density science,HEDs)無可替代的主要技術途徑,更是未來人類創造可持續發展能源的主要技術途徑之一。

ICF 實現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,使其高度壓縮實現燃料的自持燃燒,從而達到熱核點火的條件,即所謂的“勞遜判據”。高功率激光作為ICF驅動條件具備精密可控的顯著優勢,但在實驗室毫米空域、納秒時域尺度內實現勞遜判據所要求的精確條件并非易事。首先,要求驅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,包括激光波長、高光束質量、高的打靶精度、精準的脈沖波形和同步精度等。這些技術要求既為高功率激光技術研究和發展指明了方向,也對高功率固體激光裝置研制提出了巨大的挑戰。

上世紀 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雜的大科學工程,涉及理論、實驗、診斷、制靶和激光驅動器等 5個方面的研究內容和彼此之間的協調發展,即“五位一體”的發展思想。

目前,ICF研究與巨型激光驅動器總體水平已經成為一個國家綜合國力的反映,代表一個國家在聚變科學與高能量密度科學研究領域的總體水平。目前,高功率激光技術研究已走過了輝煌的發展歷程,一代技術已成為歷史,二代技術已成為發展主流,三代技術嶄露頭角,預示著高功率固體激光技術發展旺盛的生命力。

上世紀 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十千焦耳級。進入 90年代,各發達國家紛紛著手建造更大規模的裝置,高功率激光技術發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)在全面發展新一代固體激光光學材料、單元技術和先進總體設計技術的基礎上,率先啟動總投資數十億美元、為期十年的大科學工程,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 UFL-2M,將用于高能量密度物理和能源領域的研究。

超高超強短脈沖激光是高功率固體激光技術的另一個重要的方向。80年代中期發展起來的啁啾脈沖放大(CPA)技術是激光技術的新里程碑,超強超短脈沖激光技術在聚變快點火和許多交叉前沿學科以及國防應用的牽引下迅速成為各科技強國關注的熱點,多臺皮秒和飛秒脈寬的拍瓦級超強激光裝置已經建成或正在研制中,中物院實時開展了該技術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生中子的建議”,得到中國科學院上海光學精密機械研究所(簡稱上海光機所)從事高功率激光技術研究的鄧錫銘等科學家的積極響應,以及中國科學院領導張勁夫的支持,從而初步醞釀和逐步形成了這一具有深遠影響的研究領域。自此,我國高功率激光技術有了明確的發展方向,上海光機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的研究基地。

中美兩國均在上世紀 60 年代開始了應用于ICF 的高功率激光驅動器的研究,如圖 1 所示,在 1973年,兩國都已研制成功可用于 ICF技術研究的激光驅動器。不幸的是,國際上在激光技術和等離子體物理諸方面不斷取得創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展期,美國在 70年代后期建成了 Argus 裝置,1978 年建造了規模更大的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研工作。此時我國高功率激光技術已經落后了美國很多。

【光粒網綜合報道】( 責任編輯:Peter )
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