“人類能夠制造最強的激光嗎？”“核聚變將最終成為未來的能源嗎？”這兩個問題出現(xiàn)在國際權(quán)威科研期刊《科學(xué)》（《Science》）發(fā)布的125個前沿科學(xué)問題中。

而要回答這兩個問題，都離不開激光聚變（ICF）這一領(lǐng)域。激光聚變是研究如何利用極強激光高效產(chǎn)生極強聚變能的重大領(lǐng)域，錢學(xué)森將其描述為“在地球上人造一個小太陽”。因此，ICF研究在清潔能源、前沿基礎(chǔ)等應(yīng)用領(lǐng)域具有重大使命。

中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所、中國工程物理研究院上海激光等離子體研究所經(jīng)過十年的聯(lián)合研發(fā)，又通過了近十年的物理考核及高效運行，建成了我國首個數(shù)萬焦耳新型激光聚變點火研究平臺，實現(xiàn)了裝置輸出能力從千焦耳級提升至萬焦耳級的跨越。

目前，這一用于新型激光聚變研究的高效萬焦耳級釹玻璃激光裝置，整體處于國際先進水平，部分核心指標(biāo)國際領(lǐng)先，是國際上能量最高的直接驅(qū)動研究平臺，標(biāo)志著我國已成為除美國外唯一具有自主研制聚變級激光驅(qū)動器能力的國家。8月26日，記者從上海市科學(xué)技術(shù)獎勵大會上獲悉，這一項目榮獲2024年度上?？萍歼M步一等獎。

數(shù)萬焦耳新型激光聚變研究平臺。

【十年磨一劍】

眾所周知，激光聚變的反應(yīng)條件極為苛刻，要求激光作用于靶丸，在十億分之一秒的時間內(nèi)產(chǎn)生億度高溫與1000億大氣壓的極端物理狀態(tài)，驅(qū)動靶丸內(nèi)爆產(chǎn)生聚變放能。因此，高精密激光聚變（ICF）實驗研究，首要條件是具備強大且可精密調(diào)控的高功率激光驅(qū)動器。

高功率激光驅(qū)動器是ICF研究的核心載體，也是支撐高能密度物理、天體物理、材料物理等學(xué)科研究的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。項目負(fù)責(zé)人朱健強研究員在該研究領(lǐng)域深耕三十余年，他告訴記者，驅(qū)動器規(guī)模龐大，成本高昂，其研制挑戰(zhàn)材料、技術(shù)與物理的極限，反映了一個國家的科技綜合實力。自上世紀(jì)90年代開始，美國集全球科技之力、耗資50億美元、歷時20余年攻關(guān)才建成國家點火裝置（NIF），又經(jīng)10余年運行探索，2022年首次實現(xiàn)點火。

“十二五”期間，國家率先部署這一項目，挑戰(zhàn)單路激光萬焦耳級極限輸出能力。經(jīng)過十年的潛心研究，2017年成功研制了數(shù)萬焦耳釹玻璃激光裝置。歷時近十年運行，該裝置累計提供了3000余發(fā)物理實驗，開啟了我國點火研究新階段，在聚變研究、高能量密度物理和國際合作等方面取得了一系列原創(chuàng)性重大成果，產(chǎn)生了重大社會經(jīng)濟效益。

【大口徑四程激光高效放大總體技術(shù)】

攻克大口徑四程激光高效放大總體技術(shù)，為激光驅(qū)動器基頻高效輸出提供新技術(shù)路徑，是這一項目的創(chuàng)新成果之一。

研發(fā)團隊提出的“大口徑電光開關(guān)+內(nèi)腔四程放大+兩程助推放大”構(gòu)型，解決了放大過程中自激振蕩抑制、復(fù)雜時空耦合與傳輸?shù)入y題，放大器儲能提取效率由單通28%提升到四通60%，降低研制和運維成本約70%。“一般來說，儲能過程、提取能量的過程都是在瞬間發(fā)生的，驅(qū)動器的核心增益介質(zhì)是一種特制的玻璃——釹玻璃，儲能過程一般是增益介質(zhì)的微秒級上能級壽命，也就是10-4秒；提取能量的過程是納秒級，也就是10-9秒?！毖邪l(fā)人員解釋，在如此短的時間內(nèi)如果不解決放大過程中自激振蕩抑制、復(fù)雜時空耦合與傳輸?shù)入y題，放大器將只能輸出很低的激光能量，甚至無有效輸出。

朱健強研究員在指導(dǎo)學(xué)生。

同時，研發(fā)團隊提高了光束質(zhì)量和基頻通量密度。為何要提高光束質(zhì)量？研發(fā)人員解釋說，光束在釹玻璃放大器中傳輸放大過程中，激光能量極高、又是瞬間發(fā)生，存在很強的非線性調(diào)制，如果光束質(zhì)量不穩(wěn)定、分布不均勻，很有可能因為局部能量過強而損傷材料，降低全系統(tǒng)運行安全性，甚至導(dǎo)致整個裝置都無法運行。

為此，朱健強帶領(lǐng)研發(fā)團隊發(fā)展高精度自適應(yīng)光學(xué)波前開環(huán)控制等技術(shù)，解決了多通放大波前殘余像差的動態(tài)補償難題，提高光束質(zhì)量和基頻通量密度。這一項目實現(xiàn)了我國驅(qū)動器研制由單鏈路逐級放大到大口徑多程放大構(gòu)型的代際跨越，為我國后續(xù)更大規(guī)模驅(qū)動器研制奠定了基礎(chǔ)。

【三倍頻紫外激光高通量負(fù)載技術(shù)】

如何將高能量激光安全地打到靶點上？研發(fā)團隊突破三倍頻紫外激光高通量負(fù)載技術(shù)，為激光驅(qū)動器三倍頻高能到靶奠定了堅實技術(shù)基礎(chǔ)。

物理上，用更短的波長的高功率激光，可以更高效率耦合進入靶丸，從而獲得更高的聚變能。因此釹玻璃放大器輸出的紅外激光需要經(jīng)過頻率轉(zhuǎn)換到三倍頻的紫外波段。由于在紫外波段中，材料很容易損傷，所以對整體設(shè)備的各個細(xì)節(jié)都要求很高。

據(jù)介紹，設(shè)計基于共軸楔形靶鏡的多功能緊湊型終端光學(xué)組件，解決了復(fù)雜環(huán)境下的鬼像控制與規(guī)避、紫外熱像等難題，大幅提高了到靶能量。同時，研發(fā)團隊發(fā)展了兆聲波輔助氫氟酸去除工藝和設(shè)備，解決了楔形靶鏡等器件加工過程中產(chǎn)生的介觀表面缺陷問題。此外，研發(fā)團隊還發(fā)明了基于相干調(diào)制成像的三維光場測量技術(shù)，解決了紫外光場在線單次測量難題，實現(xiàn)三倍頻激光單路輸出能量。

高效萬焦耳級釹玻璃激光裝置研制團隊。

【激光全域精密數(shù)字調(diào)控】

眾所周知，聚變過程對激光精密控制要求很高。比如，在波形控制方面，有些情況要求激光先弱后強、或者高足脈沖，有些情況要求等強度方波；在多路激光打靶方面，不同的物理實驗要求的激光束數(shù)不同，有些要求8束激光從8個方向，球?qū)ΨQ同步打到靶上而且每一束光的強度幾乎要一模一樣，以達到束間功率平衡；在打靶瞄準(zhǔn)方面，要求經(jīng)過數(shù)百米光程的激光聚焦后以數(shù)微米精度擊中靶丸，這等價于在上海發(fā)射的子彈擊中南京的乒乓球?！斑@就對控制的要求很高。”朱健強介紹說，研發(fā)團隊發(fā)明了激光全域精密數(shù)字調(diào)控技術(shù)，在激光剛產(chǎn)生時就進行整形、監(jiān)測、反饋控制，逐步修正以達到平衡。

激光全域精密數(shù)字調(diào)控技術(shù)，為復(fù)雜物理實驗提供重要技術(shù)保障。單偏振精密時空調(diào)控種子源技術(shù)，建立了覆蓋全部功能種類的時標(biāo)系統(tǒng)，具備了高精度脈沖控制、大范圍時域調(diào)控、長時間穩(wěn)定運行能力。基于衍射元件的新型光束遠場準(zhǔn)直方案及振動模態(tài)控制技術(shù)，有效抑制光束瞄靶微抖動。非線性數(shù)字反演及多點測控技術(shù)，解決了主放大鏈路、頻率變換等非線性過程中的波形調(diào)控難題。這一系列緊密相關(guān)的技術(shù)創(chuàng)新，滿足了用戶在快點火、間接驅(qū)動、狀態(tài)方程和X光激光等七大類精密物理實驗的要求，取得了系列原創(chuàng)性研究成果。