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中国激光器项目神光

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中国激光器项目神光来源:中国五金商机日期: 广州德兰激光科技有限公司：专业制造生产激光喷码机,二氧化碳激光打标机,半导体激光打标机,光纤激光打标机,激光打码机

广州德兰激光科技有限公司：专业制造生产激光喷码机,二氧化碳激光打标机,半导体激光打标机,光纤激光打标机,激光打码机

  人类的能源从根本上说来自核聚变反应，即发生在太阳上的“轻核聚变”。人类已经在地球上实现了不可控的热核反应，即氢弹爆炸。要获得取之不尽的新能源，必须使这一反应在可控条件下持续地进行。为实现这一理想，科学家们用托卡马克装置开展“磁约束聚变”的研究。另一条技术路线于20世纪60年代初提出。它的基本原理是把强大的激光束聚焦到热核材料制成的微型靶丸上，在瞬间产生极高的高温和极大的压力，被高度压缩的稠密等离子体在扩散之前，即完成全部核反应，这就是“惯性约束聚变”（ICF）。一些国家的实验室已经在这类激光装置上作了大量的基础研究工作。美国、法国等已着手建造更大规模的巨型激光器，期望实现激光热核“点火”。在该领域中国很早就进行了研究，取得了相当大的进展。

一、中国

神光装置是我国自行研制的高性能高功率钕玻璃激光装置，神光系列装置研究的最终目标是实现激光受控热核聚变“点火”。

  1.神光装置-超纯水设备--神光-Ⅰ

1964年,我国著名核物理学家王淦昌院士独立地提出激光聚变思想,并建议了具体方案. 按照这一创议,在我国第一个激光专业研究所-中国科学院上海光机所开始了高功率激光驱动器的研制和应用并于 1971年获得氘-氘碰撞中子. 1978年中国工程物理研究院和中国科学院携手合作, ICF研究进入了全面发展的新阶段。近廿年来, 致力于研制和应用钕玻璃激光驱动器 -"神光"系列装置, 取得了显著进展, 推动了我国惯性约束聚变实验和理论研究, 并在国际上占有一席之地。

1977年，上海光机所利用1千亿瓦的6束激光系统装置，对充气玻壳靶照射获得了近百倍的体压缩。使我国的激光聚变研究进入了逐级论证向心聚爆原理的重要发展阶段，为以后长期的持续发展奠定了基础。1980年，王淦昌提出建造脉冲功率为1万亿瓦固体激光装置的建议，称为激光12号实验装置(神光I)。激光12号实验装置是建立在中国科学院上海光机所的一台大型高功率激光实验装置，位于上海市嘉定区清河环保塑料袋销售其实不理想路390号光机所内，1983年由上海光机所设计，总建筑面积4612平方米，为4层钢筋混凝土框架结构，总高度15米。该装置输出两束口径为200mm的强光束，每束激光的峰功率达1万亿瓦，脉冲宽度有1ns和100ps两种，波长为1.053μm的红外光，可倍频到0.53μm绿光。实验室内配有物理实验靶室及全套诊断测量设备，能开展激光加热与压缩等离子物理现象的研究和激光X光谱等基础研究燃气设备工作。

1985年7月，激光12号装置按时建成并投入试运行。试运行中成功地进行了三轮激光打靶试验，取得了很有价值的结果，达到了预期目标。该装置是中国规模最大的高功率钕玻璃激光装置，在国际上也是为数不多的大型激光工程。它由激光器系统、靶场系统、测量诊断系统和实验环境工程系统组成。输出激光总功率达1万亿瓦量级，而激光时间只有一秒钟的十亿分之一到百亿分之一。可用透镜聚焦到50毫微米的尺寸上，能产生10万亿亿瓦/厘米2的功率密度。将这样的光束聚焦在物质的表面，可以产生上千万度的高温，并由此产生强大的冲击波和反冲击压力。该装置的高精度靶场系统，能适应0.1毫米量级的微球靶、黑洞靶、台阶靶、各类X光靶等多种靶型的实验需要，并具有单束、双束及两路并束激光打靶的功能，为液体泵进行激光核聚变新能源研究及其他多种物理研究得供了重要实验手段。1987年6月通过国家级的鉴定。

它的建成为进行世界前沿领域的激光物理试验提供了有利的手段，对尖端科研和国民经济建设均具有重要意义。1986年夏天，张爱萍将军为激光12号实验装置亲笔题词"神光"。于是，该装置正式命名为神光-Ⅰ。1989年起，神光I直接驱动获中子产额，间接驱动获10000中子产额，冲击波压强达0.8TPa，获近衍射极限类氖锗X光激光增益饱和。1990年，神光I获得国家科技进步奖一等奖。

  2.神光-Ⅱ

1993年，国家"863"计划确立了惯性约束聚变主题，进一步推动了国家惯性约束聚变研究和高功率激光技术的发展。1994年，神光-Ⅰ退役。神光-Ⅰ连续运行8年，在激光惯性约束核聚变和X射线激光等前沿领域取得了一批国际一流水平的物理成果。1994年5月18日，神光Ⅱ装置立项，工程正式启动，规模比神光-Ⅰ装置扩大4倍。

神光Ⅱ装置采用了国产高性能元器件，独立自主解决了一系列的科学技术难题，达到国际最先进的高功率固体激光驱动器水平，实现我国这一领域新的跨越。该系统由激光器系统、靶场系统、能源系统、光路自动准直系统、激光参数测量系统以及环境、质量保障等系统组成，集成了数百台套的各类激光单元或组件，在空间排成8路激光放大链，技术参数与当今世界上最先进的在运行的美国OMEGA装置相当。2000年，神光Ⅱ装置8路基频功率达到8万亿瓦，开始试运行打靶。2000年起，直接驱动获40亿中子产额，间接驱动获1亿中子产额，直接驱动冲击波压强达1.5TPa，间接驱动冲击波压强达3.7TPa。2001年8月，神光Ⅱ装置建成，总输出能量达到6千焦耳／纳秒，或8万亿瓦／100皮秒，总体性能达到国际同类装置的先进水平。

"神光Ⅱ"的数百台光学设备集成在一个足球场大小的空间内。神光Ⅱ能同步发射8束激光，在约150米的光程内逐级放大：每束激光的口径能从5毫米扩为近240毫米，输出能量从几十个微焦耳增至750焦耳/束。当8束强激光通过空间立体排布的放大链聚集到一个小小的燃料靶球时，在十亿分之一秒的超短瞬间内可发射出相当于全球电电力总和数倍的强大功率，从而释放出极端压力和高温，辐照充满热核燃料气体的玻璃球壳，急速压缩燃料气体，使它瞬间达到极高的密度和温度，从而引发热核聚变。神光Ⅱ已实现"全光路自动准值定位"，实验中能及时纠正因震动和温度变化而带来的仪器微偏，使输出激光经聚焦后可精确穿过一个约0.3毫米的小孔，仅比一根头发丝略粗一点。

判断超短超强激光系统的性能有两个重要技术指标：一是时间尺度，二是输出功率。2004年4月，神光Ⅱ装置成功突破100万亿瓦大关，输出峰值功率达到120不合格的元件不能装入系统使用万亿/36飞秒。目前，国际上只有少数发达国家的著名实验钛宝石激光装置输出功率超过100万亿瓦。这意味着神光Ⅱ在1000万亿分之36秒的超短瞬间内，迸发出相当于全球电发电总和数十倍的强大功率。这种极端物理条件，自然界中只有在核爆中心、恒星内部和宇宙黑洞边缘才能存在。上海光机所强光光学重点实验室科技人员屡屡刷新这两大指标，在不到１０平方米的光学平台上创造出一次又一次"更快更强"的奇迹。2006年4月13日，神光Ⅱ装置新添的第9束激光输出能量打破纪录，较此前提高了5.8倍，第9路光束口径，由前8路的每束190毫米增至310毫米，单路能量输出达5100焦耳，离为核聚变"点火"更近一步。

截至2006年，神光Ⅱ装置已经累计提供运行打靶3000多发次。开展了惯性约束聚变、X光激光等研究约30轮物理实验，获得具有十分重要意义的结果。其中激光惯性约束直接驱动打靶，获得单发40亿中子，是国际同类装置获中子产额的最好水平。开展的物理实验为我国ICF研究做出了重大贡献，标志着我国激光惯性约束实验已经真正跃上了一个短波长、大功率激光打靶的新阶段，对提高综合国力具有重要意义。

不论是国外还是国内，巨型激光驱动器都是综合国力的反映，能够代表一个国家加上重新引进新装备、用上新技术在这一领域的科技水平。它的研制对相关科学技术有重大的带动作用。神光Ⅱ装置的研制不仅为即将建造的下一代激光装置提供极为宝贵的科学技术经验，而且带动了我国材料科学(激光玻璃、激光晶体、非线性晶体)、精密光学加工与检验(λ/10高平面度、低粗糙度、大口径光学元件研磨技术、金刚石车床飞刀切削大口径KDP晶体技术)、介质膜和化学膜层技术、高质量大口径氙灯工艺、精密机械和装校工艺及高压电能源系统、快速电子学、控制电子学、二元光学技术等相关学科或技术的跨越式发展。而这些相关学科技术在国民经济中的应用前景将是相当可观的。

国产450mm×500mm×1000mm大KDP晶体，大口径磷酸二氢钾(KDP)晶体是唯一可用作激光约束核聚变中Pockels盒和倍频器件的晶体材料，但是KDP晶体本身具有质软、易潮解、脆性高、对温度变化敏感、易开裂等一系列不利于光学加工的特点，也是ICF光学元件制造中公认的最困难的环节。

3.神光-Ⅲ

1995年，激光惯性约束核聚变在"863计划"中立项，我国粉丝机科研人员开始研制跨世纪的巨型激光驱动器--"神光-Ⅲ"装置，计划建成十万焦耳级的激光装置。2007年2月4日，中物院神光Ⅲ激光装置实验室工程举行了盛大的开工奠基仪式。该工程位于绵阳中国工程物理研究院内，建筑面积28154m2，平面布置：呈长方形布置，建筑物总长178m，总宽75m，建筑结构十分复杂。规划中的"神光-Ⅲ"装置是一个巨型的激光系统，比当前世界最大的NOVA装置还要大一倍多。原计划它具有60束强光束,紫外激光能量达60KJ,质量和精密性要达到廿一世纪的国际先进水平，现在该计划可能已经进一步修改，以提高能量规模。惯性约束聚变点火工程（2020年）被已确定为《国家中长期科学和技术发展规划》的十六项重大专项之一。

目前，神光-Ⅲ原型装置"十五"建设目标已圆满完成，达到"8束出光，脉冲-万焦耳"的水平，标志着我国成为继建筑材料不燃性试验机检测特点美、法后世界上第三个系统掌握新一代高功率激光驱动器总体技术的国家，使我国成为继美国之后世界上第二个具备独立研究、建设新一代高功率激光驱动器能力的国家。

神光Ⅲ装置是世纪之交我国历史上光学领域最宏伟的科学工程，必将全面带动相关科学技术攀登世界水平，是我国综合国力在科技领域的标志性体现，其作用和意义不亚于当年的"两弹"。这是挑战也是机遇，在王淦昌、王大珩、于敏等老一辈科学家带领下，已奋斗了三十多年,取得瞩目成果，而这只不过是序幕，需要几代人的不懈努力。根据规划，我国在2010年前后还将研制"神光IV"核聚变点火装置。

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