“人造小太阳”如何高效助力激光聚变研究？自主研制新型激光装置打破国际垄断

百科大全 2025年08月28日 06:36 1 admin

“人类能够制造最强的激光吗？”“核聚变将最终成为未来的能源吗？”这两个问题出现在国际权威科研期刊《科学》（《Science》）发布的125个前沿科学问题中。

而要回答这两个问题，都离不开激光聚变（ICF）这一领域。激光聚变是研究如何利用极强激光高效产生极强聚变能的重大领域，钱学森将其描述为“在地球上人造一个小太阳”。因此，ICF研究在清洁能源、前沿基础等应用领域具有重大使命。

中国科学院上海光学精密机械研究所、中国工程物理研究院上海激光等离子体研究所经过十年的联合研发，又通过了近十年的物理考核及高效运行，建成了我国首个数万焦耳新型激光聚变点火研究平台，实现了装置输出能力从千焦耳级提升至万焦耳级的跨越。

目前，这一用于新型激光聚变研究的高效万焦耳级钕玻璃激光装置，整体处于国际先进水平，部分核心指标国际领先，是国际上能量最高的直接驱动研究平台，标志着我国已成为除美国外唯一具有自主研制聚变级激光驱动器能力的国家。8月26日，记者从上海市科学技术奖励大会上获悉，这一项目荣获2024年度上海科技进步一等奖。

数万焦耳新型激光聚变研究平台。

【十年磨一剑】

众所周知，激光聚变的反应条件极为苛刻，要求激光作用于靶丸，在十亿分之一秒的时间内产生亿度高温与1000亿大气压的极端物理状态，驱动靶丸内爆产生聚变放能。因此，高精密激光聚变（ICF）实验研究，首要条件是具备强大且可精密调控的高功率激光驱动器。

高功率激光驱动器是ICF研究的核心载体，也是支撑高能密度物理、天体物理、材料物理等学科研究的国家重大科技基础设施。项目负责人朱健强研究员在该研究领域深耕三十余年，他告诉记者，驱动器规模庞大，成本高昂，其研制挑战材料、技术与物理的极限，反映了一个国家的科技综合实力。自上世纪90年代开始，美国集全球科技之力、耗资50亿美元、历时20余年攻关才建成国家点火装置（NIF），又经10余年运行探索，2022年首次实现点火。

“十二五”期间，国家率先部署这一项目，挑战单路激光万焦耳级极限输出能力。经过十年的潜心研究，2017年成功研制了数万焦耳钕玻璃激光装置。历时近十年运行，该装置累计提供了3000余发物理实验，开启了我国点火研究新阶段，在聚变研究、高能量密度物理和国际合作等方面取得了一系列原创性重大成果，产生了重大社会经济效益。

【大口径四程激光高效放大总体技术】

攻克大口径四程激光高效放大总体技术，为激光驱动器基频高效输出提供新技术路径，是这一项目的创新成果之一。

研发团队提出的“大口径电光开关+内腔四程放大+两程助推放大”构型，解决了放大过程中自激振荡抑制、复杂时空耦合与传输等难题，放大器储能提取效率由单通28%提升到四通60%，降低研制和运维成本约70%。“一般来说，储能过程、提取能量的过程都是在瞬间发生的，驱动器的核心增益介质是一种特制的玻璃——钕玻璃，储能过程一般是增益介质的微秒级上能级寿命，也就是10-4秒；提取能量的过程是纳秒级，也就是10-9秒。”研发人员解释，在如此短的时间内如果不解决放大过程中自激振荡抑制、复杂时空耦合与传输等难题，放大器将只能输出很低的激光能量，甚至无有效输出。

朱健强研究员在指导学生。

同时，研发团队提高了光束质量和基频通量密度。为何要提高光束质量？研发人员解释说，光束在钕玻璃放大器中传输放大过程中，激光能量极高、又是瞬间发生，存在很强的非线性调制，如果光束质量不稳定、分布不均匀，很有可能因为局部能量过强而损伤材料，降低全系统运行安全性，甚至导致整个装置都无法运行。

为此，朱健强带领研发团队发展高精度自适应光学波前开环控制等技术，解决了多通放大波前残余像差的动态补偿难题，提高光束质量和基频通量密度。这一项目实现了我国驱动器研制由单链路逐级放大到大口径多程放大构型的代际跨越，为我国后续更大规模驱动器研制奠定了基础。

【三倍频紫外激光高通量负载技术】

如何将高能量激光安全地打到靶点上？研发团队突破三倍频紫外激光高通量负载技术，为激光驱动器三倍频高能到靶奠定了坚实技术基础。

物理上，用更短的波长的高功率激光，可以更高效率耦合进入靶丸，从而获得更高的聚变能。因此钕玻璃放大器输出的红外激光需要经过频率转换到三倍频的紫外波段。由于在紫外波段中，材料很容易损伤，所以对整体设备的各个细节都要求很高。

据介绍，设计基于共轴楔形靶镜的多功能紧凑型终端光学组件，解决了复杂环境下的鬼像控制与规避、紫外热像等难题，大幅提高了到靶能量。同时，研发团队发展了兆声波辅助氢氟酸去除工艺和设备，解决了楔形靶镜等器件加工过程中产生的介观表面缺陷问题。此外，研发团队还发明了基于相干调制成像的三维光场测量技术，解决了紫外光场在线单次测量难题，实现三倍频激光单路输出能量。

高效万焦耳级钕玻璃激光装置研制团队。

【激光全域精密数字调控】

众所周知，聚变过程对激光精密控制要求很高。比如，在波形控制方面，有些情况要求激光先弱后强、或者高足脉冲，有些情况要求等强度方波；在多路激光打靶方面，不同的物理实验要求的激光束数不同，有些要求8束激光从8个方向，球对称同步打到靶上而且每一束光的强度几乎要一模一样，以达到束间功率平衡；在打靶瞄准方面，要求经过数百米光程的激光聚焦后以数微米精度击中靶丸，这等价于在上海发射的子弹击中北南京的乒乓球。“这就对控制的要求很高。”朱健强介绍说，研发团队发明了激光全域精密数字调控技术，在激光刚产生时就进行整形、监测、反馈控制，逐步修正以达到平衡。

激光全域精密数字调控技术，为复杂物理实验提供重要技术保障。单偏振精密时空调控种子源技术，建立了覆盖全部功能种类的时标系统，具备了高精度脉冲控制、大范围时域调控、长时间稳定运行能力。基于衍射元件的新型光束远场准直方案及振动模态控制技术，有效抑制光束瞄靶微抖动。非线性数字反演及多点测控技术，解决了主放大链路、频率变换等非线性过程中的波形调控难题。这一系列紧密相关的技术创新，满足了用户在快点火、间接驱动、状态方程和X光激光等七大类精密物理实验的要求，取得了系列原创性研究成果。