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高功率固体激光技术发展历程

  • 2019-7-11 11:34:01
  • 佚名
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  1960 年激光问世不久,前苏联巴索夫院士、美国 Nuckolls与我国王淦昌教授等著名科学家,便敏锐地意识到能够在实验室内创造极高功率密度的激光,产生高温高压条件,诱发核聚变,并在各自所在国独立地推动了早期的激光聚变研究。今天,激光驱动惯性约束聚变(inertial confinemeut fusion,ICF)研究已成为重大前沿科技领域,是实验室内研究 ICF 和高能密度物理(high energy density science,HEDs)无可替代的主要技术途径,更是未来人类创造可持续发展能源的主要技术途径之一。

  ICF 实现聚变点火的基本物理特点为采用高功率密度的能源来加热燃烧靶丸,使其高度压缩实现燃料的自持燃烧,从而达到热核点火的条件,即所谓的“劳逊判据”。高功率激光作为ICF驱动条件具备精密可控的显著优势,但在实验室毫米空域、纳秒时域尺度内实现劳逊判据所要求的精确条件并非易事。首先,要求驱动激光脉冲有足够高的能量和功率,同时还要求具有高光束品质,包括激光波长、高光束质量、高的打靶精度、精准的脉冲波形和同步精度等。这些技术要求既为高功率激光技术研究和发展指明了方向,也对高功率固体激光装置研制提出了巨大的挑战。

        

  上世纪 70年代,中国工程物理研究院于敏教授便提出,激光惯性约束聚变是一项非常复杂的大科学工程,涉及理论、实验、诊断、制靶和激光驱动器等 5个方面的研究内容和彼此之间的协调发展,即“五位一体”的发展思想。

  目前,ICF研究与巨型激光驱动器总体水平已经成为一个国家综合国力的反映,代表一个国家在聚变科学与高能量密度科学研究领域的总体水平。目前,高功率激光技术研究已走过了辉煌的发展历程,一代技术已成为历史,二代技术已成为发展主流,三代技术崭露头角,预示着高功率固体激光技术发展旺盛的生命力。

  上世纪 70年代起,美、中、英、法、日、俄等国相继建造了多台纳秒脉冲宽度的钕玻璃激光装置,能量从百焦耳级至数十千焦耳级。进入 90年代,各发达国家纷纷着手建造更大规模的装置,高功率激光技术发展跨入了新的历史时期。90年代中期,美国利弗莫尔实验室(LLNL)在全面发展新一代固体激光光学材料、单元技术和先进总体设计技术的基础上,率先启动总投资数十亿美元、为期十年的大科学工程,建造国家点火装置(NIF)。法国原子能委员会(CEA)随即开始建造与 NIF 类似规模的兆焦耳激光装置(LMJ),俄罗斯也计划于 2017年底启动世界上最强大的激光系统 UFL-2M,将用于高能量密度物理和能源领域的研究。

  超高超强短脉冲激光是高功率固体激光技术的另一个重要的方向。80年代中期发展起来的啁啾脉冲放大(CPA)技术是激光技术的新里程碑,超强超短脉冲激光技术在聚变快点火和许多交叉前沿学科以及国防应用的牵引下迅速成为各科技强国关注的热点,多台皮秒和飞秒脉宽的拍瓦级超强激光装置已经建成或正在研制中,中物院实时开展了该技术路线下的超短超强脉冲激光装置的研制。

  高功率固体激光技术发展历程

  时任中物院副院长的王淦昌教授于 1964年提出了“利用大能量大功率光激射器产生中子的建议”,得到中国科学院从事高功率激光技术研究的邓锡铭等科学家的积极响应,以及中国科学院领导张劲夫的支持,从而初步酝酿和逐步形成了这一具有深远影响的研究领域。自此,我国高功率激光技术有了明确的发展方向,中物院也逐步成为了一个高功率激光技术的研究基地。

  中美两国均在上世纪 60 年代开始了应用于ICF 的高功率激光驱动器的研究,在 1973年,两国都已研制成功可用于 ICF技术研究的激光驱动器。不幸的是,国际上在激光技术和等离子体物理诸方面不断取得创新成果和重大突破的 10余年间,多方面的原因使我国的这项研究工作失去了重要发展期,美国在 70年代后期建成了 Argus 装置,1978 年建造了规模更大的Shiva装置,1982年开始建造更大功率的 Nova装置。


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