2020年是激光誕生60周年，是值得紀念的一年。激光是20世紀以來，繼原子能、計算機、半導(dǎo)體之后，人類科學(xué)史上的又一重大發(fā)明，被稱為“最快的刀”、“最準的尺”和“最亮的光”。自1960年第一臺激光器問世以來，人類掌握了一種無與倫比的強大光源和工具，極大地推動了科技進步，也照亮了我們的生活。值此激光發(fā)明60周年之際，信息管理中心調(diào)研團隊從激光理論提出及激光器發(fā)明與發(fā)展、激光應(yīng)用、中國激光事業(yè)發(fā)展及國外大型激光裝置建造四個方面對激光技術(shù)發(fā)展歷程進行了全面梳理回顧，希望以此以饗讀者，共慶激光發(fā)明60周年。

國外大型激光裝置

1974 to 2019

1974

KMS激光聚變公司用兩束近乎正交的激光照射含氘氦混合氣體的玻璃束殼靶，獲得了3×105中子產(chǎn)額和50~100倍的體壓縮，是當時國際ICF研究的一項標志性成果。

1974

美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室 (LLNL) 單束Janus激光器建成。同年晚些時候，對Janus進行了改造升級，正如為它命名的神靈“兩面神”，改造后的Janus為雙束裝置，兩路激光從相反的方向射向靶丸。Janus最初被定義為大功率激光裝置，但是最終只能產(chǎn)生約10J能量的激光脈沖。

圖6 1975年Janus激光器

1974

LLNL單束Cyclops激光器建成，是當時尚未建成的20束10.2kJ Shiva激光裝置的原型裝置。

圖7 Cyclops激光器

1976

英國政府科學(xué)研究委員決定終止對英國幾個主要的高功率激光裝置的投資，將資金投入Vulcan（火神）裝置的建設(shè)中。

圖8 Vulcan裝置示意圖

1976

LLNL雙束Argus激光裝置建成，該裝置于1981年9月停止使用并拆除。其聚變產(chǎn)額最高達到了109。Argus激光裝置的一個重大成就是首次發(fā)現(xiàn)通過使用二倍頻、三倍頻激光，而不是直接使用由激光產(chǎn)生的紅外線，能夠產(chǎn)生熱電子，從而減少硬X射線的產(chǎn)生。

圖9 雙束Argus激光裝置激光大廳

1977

LLNL Shiva裝置建成，該裝置擁有20路光束，輸出能量達10.2kJ。

圖10 Shiva裝置

1978

日本大阪大學(xué)激光工程研究所 (ILE) 建成Gekko-Ⅳ裝置，該裝置用摻釹磷酸鹽玻璃代替摻釹硅酸鹽玻璃做激光放大器的工作介質(zhì)。

1979

前蘇聯(lián)Iskra-4裝置建成，該裝置擁有8路光束，為碘分子激光器。

1980

羅切斯特大學(xué)激光能量實驗室 (UR/LLE) 擁有24路光束的Omega裝置建成。

1983

LLNL的雙束2.5kJ Novette裝置建成，該裝置是第一臺使用磷酸二氫鉀 (KDP) 晶體制成的光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換器的激光裝置。

圖11 Novette靶室

1983

日本Gekko-Ⅻ裝置建成。該裝置由日本大阪大學(xué)激光工程所 (ILE) 指定日本電氣公司負責(zé)建設(shè)，為擁有基頻、二倍頻和三倍頻能力的激光裝置，擁有12路光束，是當時世界上最大的釹玻璃激光裝置。

1984

LLNL建成Nova激光裝置，該裝置脈沖能量為45kJ，脈寬2.5ns，是全世界第一臺拍瓦級激光裝置，裝置峰值功率達1.5PW。1999年6月，Nova裝置進行了最后一次試驗后拆卸。

圖12 Nova裝置靶室

1989

前蘇聯(lián)Iskra-5裝置建成。2003年，該裝置改為二倍頻裝置。

圖13 Iskra-5裝置靶室

1990

美國國會批準并投資6100萬美元對Omega裝置進行升級。

1993

美國能源部長詹姆斯?沃特金斯 (James Watkins) 簽署了第0號決議，確認國家點火裝置的任務(wù)需求。決策表明，NIF是為支持慣性約束聚變計劃需要實現(xiàn)的點火和熱核聚變、燃燒增益而提出的。

1994

LLNL單束Beamlet激光裝置建成，該裝置為NIF的原型裝置。

圖14 Beamlet激光裝置

1995

Omega裝置完成升級工作，光路達到60路，輸出能量為30kJ。

1995

5月，美國海軍實驗室 (NRL) Nike KrF激光裝置建成，該裝置為直接驅(qū)動裝置，能夠以248nm波長產(chǎn)生3kJ能量。

1996

法、美兩國簽署一項加強兩國核協(xié)作的協(xié)議，美國同意幫助原子能與替代能源委員會 (CEA) 建造兆焦耳激光器(Laser Megajoule, LMJ)。原計劃建造240束光路，后改為建造176束。

1996

開始進行LMJ裝置原型裝置LIL裝置的建造工作，該裝置擁有8路光束。2002年，該裝置首次出光，于2014年完成最后一次試驗并關(guān)閉。

1997

美國國家點火裝置 (NIF) 開始建造。

2002

英國完成具有10路光束的Vulcan裝置的升級。升級后的Vulcan裝置能夠以拍瓦級運行。這次升級的一個重要原因是LLNL決定關(guān)閉Nova裝置，以便集中力量建造NIF。經(jīng)過與美國能源部的商討，美國將價值100萬英鎊的米級尺寸的光學(xué)元件以及建造拍瓦裝置所需的其他設(shè)備交給英國，以換取在Vulcan裝置上一定的實驗時間。目前，Vulcan裝置是以拍瓦級運行時間最長的用戶裝置。

2003

2月，美國國會批準1300萬美元，開始建造Omega EP激光裝置。該裝置于2008年5月建造完成，輸出脈寬為1ps時，峰值功率可達到1PW。Omega EP的輸出即可以加載到Omega EP的靶室上，也可以加載到Omega裝置的靶室上。

2003

LMJ裝置于法國南部波爾多市的阿基坦科技研究中心破土動工。2008年，開始試運行。之后法國又為LMJ裝置增加了PETAL (ICF PETawatt Aquitaine Laser), 是一路短脈沖(500fs~10ps), 超高功率(1~7PW),高能 (1~3.5kJ) 光束。

圖15 LMJ 裝置激光器系統(tǒng)的主要組成部分

圖16 PETAL與LMJ裝置示意圖

2003

日本Gekko-Ⅻ裝置開始以拍瓦級運行，該裝置是亞洲第一臺拍瓦級激光裝置，為二倍頻激光裝置，主要用于進行快點火研究。

2003

4月，日本大阪大學(xué)激光工程研究所啟動了“快點火實現(xiàn)實驗 (FIREX)”項目的LFEX激光器 (Laser for Fusion Experiment) 建造工作，該裝置建在Gekko-Ⅻ旁邊，目的是利用Gekko-Ⅻ壓縮激光，利用LFEX加熱激光，從而達到加熱溫度 (10keV)。

圖17 LFEX裝置和 Gekko-Ⅻ裝置

2006

10個國家和地區(qū)的30個科研機構(gòu)聯(lián)合向歐盟提出的極端光設(shè)施 (Extreme Light Infrastructure,簡稱ELI) 計劃。

2009

3月，NIF成為世界上第一臺突破1MJ門檻的激光裝置。

圖18 NIF靶室

2009

6月，NIF正式投入使用，建造共耗資35億美元。

2012

俄羅斯開始建造UFL-2M裝置，該裝置為二倍頻裝置，計劃建造192路，將用于高能量密度物理和能源領(lǐng)域的研究。

圖19 Iskra-5裝置、Luch裝置、UFL-2M裝置鳥瞰圖

2013

4月，英國Orion裝置建成，該裝置擁有短脈沖拍瓦束，峰值功率可達到1PW。

2015

法國Apollon裝置建成，預(yù)計后期峰值功率達5PW。

2018

6月，NIF激光裝置成功產(chǎn)生了2.15MJ的能量和500萬億瓦的峰值功率，比NIF激光能量設(shè)計指標1.8MJ高15%。

2019

3月，羅馬尼亞的極端光基礎(chǔ)設(shè)施——核物理裝置 (ELI-NP) 產(chǎn)生了第一個10PW峰值功率水平的脈沖，其性能達到了前所未有的水平。

圖20 ELI-NP分布圖

本 文 作 者

中國工程物理研究院激光聚變研究中心信息中心

張 可，王 云，唐道潤，程 功，張惠鴿