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(shí)到能夠在實(shí)驗(yàn)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(dú)立地推動(dòng)了早期的激光聚變研究。今天，激光驅(qū)動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火的基本物理特點(diǎn)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(shí)現(xiàn)燃料的自持燃燒，從而達(dá)到熱核點(diǎn)火的條件，即所謂的“勞遜判據(jù)”。高功率激光作為ICF驅(qū)動(dòng)條件具備精密可控的顯著優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)驗(yàn)室毫米空域、納秒時(shí)域尺度內(nèi)實(shí)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(dòng)激光脈沖有足夠高的能量和功率，同時(shí)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(duì)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(xiàng)非常復(fù)雜的大科學(xué)工程，涉及理論、實(shí)驗(yàn)、診斷、制靶和激光驅(qū)動(dòng)器等 5個(gè)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(dòng)器總體水平已經(jīng)成為一個(gè)國家綜合國力的反映，代表一個(gè)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(tái)納秒脈沖寬度的釹玻璃激光裝置，能量從百焦耳級(jí)至數(shù)十千焦耳級(jí)。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(shí)期。90年代中期，美國利弗莫爾實(shí)驗(yàn)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(jì)技術(shù)的基礎(chǔ)上，率先啟動(dòng)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(diǎn)火裝置(NIF)。法國原子能委員會(huì)(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(jì)劃于 2017年底啟動(dòng)世界上最強(qiáng)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(qiáng)短脈沖激光是高功率固體激光技術(shù)的另一個(gè)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(qiáng)超短脈沖激光技術(shù)在聚變快點(diǎn)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(qiáng)國關(guān)注的熱點(diǎn)，多臺(tái)皮秒和飛秒脈寬的拍瓦級(jí)超強(qiáng)激光裝置已經(jīng)建成或正在研制中，中物院實(shí)時(shí)開展了該技術(shù)路線下的超短超強(qiáng)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(shí)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(gè)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(dòng)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(dòng)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(xiàng)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(shí)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(duì)精誠協(xié)作，先后為我國研制了多臺(tái)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(bǔ)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(shí)驗(yàn)，在開展分解實(shí)驗(yàn)和物理診斷設(shè)備考核標(biāo)定的同時(shí)，發(fā)展了多項(xiàng)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(shí)驗(yàn)，以上海光機(jī)所為主建設(shè)的神光-I和神光-II裝置對(duì)我國 ICF的技術(shù)發(fā)展起到了重要的推動(dòng)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(dòng)器的關(guān)鍵技術(shù)，成為我國第一臺(tái)服務(wù)于 ICF 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)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(gè)單位的優(yōu)勢(shì)，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(shí)驗(yàn)室”。為此，中物院派駐科研人員到上海嘉定，成立了激光實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，取得了可喜的成果，同時(shí)也鍛煉和成長了我國從事激光聚變研究的隊(duì)伍。1994 年，神光-I 激光裝置退役。神光-I裝置連續(xù)運(yùn)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(yùn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果。以神光-II激光裝置建成為標(biāo)志的實(shí)驗(yàn)條件改善，使 ICF實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)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(tái)激光裝置，如圖 2所示。以激光技術(shù)的特點(diǎn)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(qiáng)激光技術(shù)，多臺(tái)裝置的研制實(shí)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(shí)驗(yàn)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(duì)，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(shí)度勢(shì)，實(shí)時(shí)啟動(dòng)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(tái)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(shí)驗(yàn)研究和培養(yǎng)中物院自己的激光隊(duì)伍，同時(shí)確定由上海光機(jī)所為中物院研制一臺(tái)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(yùn)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(duì)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(yàn)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(shí)驗(yàn)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(xiàng)國內(nèi)的首創(chuàng)工作，主要包含：
(1) 為了滿足間接驅(qū)動(dòng)物理實(shí)驗(yàn)要求，研制了我國第一臺(tái)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(shí)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(dòng)物理實(shí)驗(yàn)激光打靶的基礎(chǔ)。
(2) 為滿足我國 ICF物理實(shí)驗(yàn)發(fā)展要求，研制了國內(nèi)第一臺(tái)實(shí)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(shí)國際的先進(jìn)水平，填補(bǔ)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(shí)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(jì)了非球面組合線聚焦光學(xué)系統(tǒng)，實(shí)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(gè)月后在國際上第二個(gè)實(shí)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(shí)驗(yàn)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(dòng)同步精度的探針激光，在國內(nèi)首次獲得了不同時(shí)刻黑腔靶解體過程的圖像(1987年)，初步驗(yàn)證了黑腔靶實(shí)驗(yàn)的科學(xué)可行性，見圖4。
圖4 不同時(shí)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(shí)間)
3.1.2 星光-II激光裝置
90 年代初，中物院遷址綿陽。同時(shí)，根據(jù)ICF物理實(shí)驗(yàn)的新要求，于 1995年將星光-I激光裝置升級(jí)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(shí)驗(yàn)與分解實(shí)驗(yàn)，以及高功率激光技術(shù)研究的能力，因此在設(shè)計(jì)、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(yùn)行效率為目的。同時(shí)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(yùn)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(diǎn)包含：
(1)裝置采用主動(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)。
(3)靶場(chǎng)采用雙靶室結(jié)構(gòu)，有效地提高了全裝置的運(yùn)行效率。其中 1號(hào)靶室建立了新的靶瞄準(zhǔn)定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了用一種準(zhǔn)直光源對(duì)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(jí)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(shí)我國唯一一臺(tái)適于激光聚變等離子體實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，獲得了靶吸收效率、X光轉(zhuǎn)換效率和源區(qū)干凈性的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)和類氖鋅出光實(shí)驗(yàn)，開辟了中小型高功率固體激光裝置開展 X射線激光實(shí)驗(yàn)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(dòng)慣性約束聚變(ICF)成為國家高技術(shù)發(fā)展計(jì)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(shí)，美法兩國為了盡快實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)聚變點(diǎn)火這一人類夢(mèng)寐以求的科學(xué)目標(biāo)，以及積極應(yīng)對(duì)禁核試驗(yàn)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(jì)劃的依托單位，及時(shí)啟動(dòng)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(cè)、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(dòng)。中物院激光聚變研究中心作為工程實(shí)施責(zé)任主體，邊設(shè)計(jì)，邊攻關(guān)，邊實(shí)施，聯(lián)合全國優(yōu)勢(shì)單位，于 2003年實(shí)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(yàn)收，實(shí)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(jì)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(yàn)，實(shí)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(shí)，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(dú)立自主地解決了一系列科學(xué)技術(shù)問題，創(chuàng)造了多個(gè)國內(nèi)“首次”，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
(1)采用非對(duì)稱變口徑光束傳輸、光束角旋轉(zhuǎn)隔離和光束旋轉(zhuǎn)補(bǔ)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(gè)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(shí)驗(yàn)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(jì)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(shí)現(xiàn)了靶面光強(qiáng)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(dòng)”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(gè)掌握這一核心技術(shù)的國家。
(5)基于“高速電子學(xué)實(shí)現(xiàn)脈沖時(shí)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(shí)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(gè)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(shí)現(xiàn)了裝置輸出光束近場(chǎng)分布的主動(dòng)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(chǔ)能密度較高、自動(dòng)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(cè)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(yàn)。
(9)在國內(nèi)首次采用“多光束時(shí)空編碼并行引導(dǎo)＋靶面共軛式直接診斷”技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了靶場(chǎng)系統(tǒng)多束激光快速精確引導(dǎo)和基準(zhǔn)物理實(shí)驗(yàn)靶的精密定位。
(10)在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了高功率激光驅(qū)動(dòng)器全裝置、全流程的集中指揮控制和管理。
(11)實(shí)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(shí)現(xiàn)了高能量三倍頻激光脈沖能量測(cè)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(dòng)器，神光-III 原型裝置開展了一系列物理實(shí)驗(yàn)。截止到 2015年底，神光-III原型裝置已經(jīng)累計(jì)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(shí)驗(yàn)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(dòng)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(tái)和必要的技術(shù)手段，并推動(dòng)了物理診斷和制靶技術(shù)的發(fā)展。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了我國高功率激光驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)了我國高功率激光驅(qū)動(dòng)器總體建設(shè)水平“升級(jí)換代、邁上臺(tái)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(dòng)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(shí)施和管理方面的隊(duì)伍，形成新一代高功率激光驅(qū)動(dòng)器的綜合設(shè)計(jì)、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(diǎn)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(dòng)器研制奠定基礎(chǔ)，重點(diǎn)解決更大能量激光驅(qū)動(dòng)器建設(shè)的工程化、規(guī)?；瘑栴}。
神光-III激光裝置實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)驗(yàn)的階段。2015年9月，神光-III激光裝置建成，裝置首次實(shí)現(xiàn)了48束180 kJ/3 ns、峰值功率60 TW的測(cè)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(shí)驗(yàn)，共計(jì)打靶 465發(fā)。各類綜合性的實(shí)驗(yàn)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(yùn)行能力，并隨著裝置整體磨合不斷深入，運(yùn)行效率已呈快速上升之勢(shì)。
神光-III 激光裝置成功運(yùn)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(dòng)力學(xué)、傳輸動(dòng)力學(xué)和損傷動(dòng)力學(xué))、三個(gè)設(shè)計(jì)階段(可行性研究、初步設(shè)計(jì)和工程設(shè)計(jì))、四大設(shè)計(jì)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(jì)要素(光、機(jī)、電、控、測(cè)、裝)”為主要特征的巨型高功率固體激光裝置的總體設(shè)計(jì)方法與技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了總體設(shè)計(jì)與驗(yàn)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(yàn)證(工程設(shè)計(jì)符合性、加工制造匹配性和工程實(shí)施保障性)、三類評(píng)估(集成評(píng)估、性能評(píng)估、運(yùn)行評(píng)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(shí)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(shí)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(gè)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(jì)、驗(yàn)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(shí)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(cè)、全光路精密波前校正、甚多束光路自動(dòng)準(zhǔn)直、自動(dòng)化靶瞄準(zhǔn)定位、計(jì)算機(jī)集中控制、高效諧波轉(zhuǎn)換、靶面光強(qiáng)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(shí)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(dòng)控制、化學(xué)清洗、先進(jìn)光學(xué)制造等多個(gè)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(dòng)器方面的總體設(shè)計(jì)、總體集成、關(guān)鍵技術(shù)、加工制造、光學(xué)檢測(cè)、潔凈清洗、精密裝校、支撐保障等核心能力方面實(shí)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(dòng)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(shí)間內(nèi)，神光-III激光裝置將成為我國ICF物理實(shí)驗(yàn)研究的核心平臺(tái)。
3.2 超強(qiáng)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(qiáng)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生類似星體內(nèi)部和爆炸時(shí)的極端物態(tài)條件，為諸多前沿學(xué)科、國防科研、國計(jì)民生一些重要領(lǐng)域提供前所未有的研究平臺(tái)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(tái)超強(qiáng)超短脈沖激光裝置。為了提高科研創(chuàng)新能力和核心競(jìng)爭(zhēng)能力，中物院也適時(shí)開展了超短超強(qiáng)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(tái) 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(shí)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(yùn)行打靶，是當(dāng)時(shí)世界上為數(shù)不多能夠穩(wěn)定運(yùn)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(shí)驗(yàn)研究，取得了多項(xiàng)具有較高學(xué)術(shù)價(jià)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(jí)高能皮秒激光總體及關(guān)鍵技術(shù)，并完成綜合驗(yàn)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(jí)。即基于 SILEX-I超短脈沖激光裝置獲得拍瓦級(jí)飛秒激光束，基于 2×1組合口徑多程放大集成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)獲得拍瓦級(jí)皮秒激光束和千焦級(jí)納秒激光束。2013年，采用獨(dú)創(chuàng)的“零抖動(dòng)”技術(shù)，建成了國際上首臺(tái)“零抖動(dòng)”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(qiáng)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(shí)輸出的三束激光可互為驅(qū)動(dòng)源和探針光，具備相互正交及多角度、多組合打靶的特點(diǎn)。中物院在裝置建設(shè)過程中突破并解決了多項(xiàng)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(shí)驗(yàn)運(yùn)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(shí)驗(yàn)研究提了數(shù)百發(fā)次運(yùn)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(shí)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
4 高功率固體激光技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
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(qiáng)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(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室條件下的激光聚變點(diǎn)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(jià)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(diǎn)針對(duì)“點(diǎn)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(jí)推向艾瓦量級(jí)(1018 W)。面向 LIFE 的激光裝置要實(shí)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(shí)提升至亞秒量級(jí))、高光束質(zhì)量(發(fā)展若干新技術(shù)實(shí)現(xiàn)光束空域、時(shí)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(duì)伍成為我國百萬焦耳級(jí)激光裝置的中堅(jiān)力量，實(shí)現(xiàn)與國際先進(jìn)水平“并駕齊驅(qū)”的能力，同時(shí)帶動(dòng)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(shì)，成為顯示我國綜合國力和核心競(jìng)爭(zhēng)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(yàn)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(yàn)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(shí)提升巨型激光裝置安裝集成精度和效率，夯實(shí)我國百萬焦耳級(jí)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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