手機資訊
官方微信摘要 人類的能源從根本上說來自核聚變反應，即發(fā)生在太陽上的“輕核聚變”。人類已經(jīng)在地球上實現(xiàn)了不可控的熱核反應，即氫彈爆炸。要獲得取之不盡的新能源，必須使這一反應在可控條件下持續(xù)地進行。...
人類的能源從根本上說來自核聚變反應，即發(fā)生在太陽上的“輕核聚變”。人類已經(jīng)在地球上實現(xiàn)了不可控的熱核反應，即氫彈爆炸。要獲得取之不盡的新能源，必須使這一反應在可控條件下持續(xù)地進行。為實現(xiàn)這一理想，科學家們用托卡馬克裝置開展“磁約束聚變”的研究。另一條技術(shù)路線于20世紀60年代初提出。它的基本原理是把強大的激光束聚焦到熱核材料制成的微型靶丸上，在瞬間產(chǎn)生極高的高溫和極大的壓力，被高度壓縮的稠密等離子體在擴散之前，即完成全部核反應，這就是“慣性約束聚變”（ICF）。一些國家的實驗室已經(jīng)在這類激光裝置上作了大量的基礎研究工作。美國、法國等已著手建造更大規(guī)模的巨型激光器，期望實現(xiàn)激光熱核“點火”。中科院上海光學精密機械研究所高功率激光物理聯(lián)合實驗室內(nèi)的神光Ⅱ高功率激光實驗裝置，被譽為“在地球上人造一個小太陽的大科學工程”。
多年來，神光Ⅱ裝置相繼獲得國家、中科院和上海市的各類獎項以及“全國十大科技進展”等殊榮。
今天，神光Ⅱ及其第九路裝置依舊保持著高效運轉(zhuǎn)，并一次次刷新我國在高功率激光研究領(lǐng)域的紀錄。
神光高功率激光實驗裝置
不論是國外還是國內(nèi)，巨型激光驅(qū)動器都是綜合國力的反映，能夠代表一個國家在這一領(lǐng)域的科技水平。它的研制對相關(guān)科學技術(shù)有重大的帶動作用。神光Ⅱ裝置的研制不僅為即將建造的下一代激光裝置提供極為寶貴的科學技術(shù)經(jīng)驗，而且?guī)恿宋覈牧峡茖W(激光玻璃、激光晶體、非線性晶體)、精密光學加工與檢驗(λ/10高平面度、低粗糙度、大口徑光學元件研磨技術(shù)、金剛石車床飛刀切削大口徑KDP晶體技術(shù))、介質(zhì)膜和化學膜層技術(shù)、高質(zhì)量大口徑氙燈工藝、精密機械和裝校工藝及高壓電能源系統(tǒng)、快速電子學、控制電子學、二元光學技術(shù)等相關(guān)學科或技術(shù)的跨越式發(fā)展。而這些相關(guān)學科技術(shù)在國民經(jīng)濟中的應用前景將是相當可觀的。
截至2006年，神光Ⅱ裝置已經(jīng)累計提供運行打靶3000多發(fā)次。開展了慣性約束聚變、X光激光等研究約30輪物理實驗，獲得具有十分重要意義的結(jié)果。其中激光慣性約束直接驅(qū)動打靶，獲得單發(fā)40億中子，是國際同類裝置獲中子產(chǎn)額的最好水平。開展的物理實驗為我國ICF研究做出了重大貢獻，標志著我國激光慣性約束實驗已經(jīng)真正躍上了一個短波長、大功率激光打靶的新階段，對提高綜合國力具有重要意義。
國產(chǎn)450mm×500mm×1000mm大KDP晶體，大口徑磷酸二氫鉀(KDP)晶體是唯一可用作激光約束核聚變中Pockels盒和倍頻器件的晶體材料，但是KDP晶體本身具有質(zhì)軟、易潮解、脆性高、對溫度變化敏感、易開裂等一系列不利于光學加工的特點，也是ICF光學元件制造中公認的最困難的環(huán)節(jié)。
詳解中國“神光”計劃（1980年——2030年）
世界第一臺激光器問世是在1960年6月,中國第一臺激光器是在1961年9月。從1961年中國第一臺激光器宣布研制成功至今，我國形成了門類齊全、水平先進、應用廣泛的激光科技領(lǐng)域，并在產(chǎn)業(yè)化上取得可喜進步，可以說，在起步階段我國的激光技術(shù)發(fā)展迅速，無論是數(shù)量還是質(zhì)量，都和當時國際水平接近，一項創(chuàng)新性技術(shù)能夠如此迅速趕上世界先進行列，在我國近代科技發(fā)展史上并不多見。這些成績的取得，尤其是能夠把物理設想、技術(shù)方案順利地轉(zhuǎn)化成實際激光器件，主要得力于我國多年來在技術(shù)光學、精密機械和電子技術(shù)方面積累的綜合能力和堅實基礎。
1957年，王大珩等在長春建立了我國第一所光學專業(yè)研究所--中國科學院長春光學精密儀器機械研究所（簡稱"長春光機所"）。在老一輩專家?guī)ьI(lǐng)下，一批青年科技工作者迅速成長，鄧錫銘是其中的突出代表。早在1958年美國物理學家肖洛、湯斯關(guān)于激光原理的著名論文發(fā)表不久，他便積極倡導開展這項新技術(shù)研究，在短時間內(nèi)凝聚了富有創(chuàng)新精神的中青年研究隊伍，提出了大量提高光源亮度、單位色性、相干性的設想和實驗方案。1960年世界第一臺激光器問世。1961年夏，在王之江主持下，我國第一臺紅寶石激光器研制成功。此后短短幾年內(nèi)，激光技術(shù)迅速發(fā)展，產(chǎn)生了一批先進成果。各種類型的固體、氣體、半導體和化學激光器相繼研制成功。在基礎研究和關(guān)鍵技術(shù)方面、一系列新概念、新方法和新技術(shù)（如腔的Q突變及轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q、行波放大、錸系離子的利用、自由電子振蕩輻射等）紛紛提出并獲得實施，其中不少具有獨創(chuàng)性。
同時，作為具有高亮度、高方向性、高質(zhì)量等優(yōu)異特性的新光源，激光很快應用于各技術(shù)領(lǐng)域，顯示出強大的生命力和競爭力。通信方面，1964年9月用激光演示傳送電視圖像，1964年11月實現(xiàn)3～30公里的通話。工業(yè)方面，1965年5月激光打孔機成功地用于拉絲模打孔生產(chǎn)，獲得顯著經(jīng)濟效益。醫(yī)學方面，1965年6月激光視網(wǎng)膜焊接器進行了動物和臨床實驗。國防方面，1965年12月研制成功激光漫反射測距機（精度為10米/10公里），1966年4月研制出遙控脈沖激光多普勒測速儀。
激光技術(shù)的發(fā)展
中國激光科技從一開始就得到了國家的高度重視。1964年，中國科學院上海光學精密機械研究所（簡稱"上海光機所"）成立。1964年國家啟動"6403"高能釹玻璃激光系統(tǒng)，建成了具有工程規(guī)模的大口徑（120毫米）振蕩-放大型激光系統(tǒng)，最大輸出能量達32萬焦耳；改善光束質(zhì)量后達3萬焦耳。成功地進行了打靶實驗，室內(nèi)10米處擊穿80毫米鋁靶，室外2公里距離擊穿0.2毫米鋁耙，并系統(tǒng)地研究了強激光輻射的生物效應和材料破壞機理。最后從技術(shù)上判定熱效應是根本性技術(shù)障礙，于1976年下馬。這一項目使我國激光技術(shù)科研水平上了一個臺階。
高功率激光和核聚變研究
1964年王淦昌獨立提出激光聚變倡議，1965年立項開始研究。經(jīng)幾年努力，建成了輸出功率100億瓦的納秒級激光裝置，并于1973年5月首次在低溫固氘靶、常溫氘化鋰靶和氘化聚乙烯上打出中子。1974年研制成功我國第一臺多程片狀放大器，把激光輸出功率提高了10倍，中子產(chǎn)額增加了一個量級。在國際上向心壓縮原理解密后，積極跟蹤并于1976年研制成六束激光系統(tǒng)，對充氣玻殼靶照射，獲得了近百倍的體壓縮。這一系列的重大突破，使我國的激光聚變研究進入世界先進行列，也為以后長期的持續(xù)發(fā)展奠定了基礎。我國的激光科技事業(yè)，雖然也遭遇了"文革"十年浩劫，但借助于重點項目的支撐，仍艱難地生存了下來并取得了可貴的進展。
改革開放后，我國激光技術(shù)獲得了空前發(fā)展的機遇。1980年5月，分別在上海、北京舉行了第一次國際激光會議，與會代表218人（國外66人），鄧小平同志親切接見了與會中外代表。1983年在廣州和1986年在廈門又舉行了第二次、第三次國際會議，改變了我國的激光技術(shù)多年來封閉運轉(zhuǎn)的局面，開始走向世界。先后成立了一批國家重點實驗室、開放實驗室、國家工程研究中心和產(chǎn)學研組織。在多項國家級戰(zhàn)略性科技計劃中，激光技術(shù)受到重視。"863"計劃七大領(lǐng)域中有激光技術(shù)和光電子技術(shù)（包括用于信息領(lǐng)域的激光技術(shù)），1995年又增列了"慣性約束聚變"主題。國防預研光電子技術(shù)作為跨部門項目正式立項，其中也包括激光技術(shù)。國家"六五"和"七五"攻關(guān)計劃，激光技術(shù)被列為重大項目。
慣性約束聚變激光驅(qū)動器
人類的能源從根本上說來自核聚變反應，即發(fā)生在太陽上的"輕核聚變"。人類已經(jīng)在地球上實現(xiàn)了不可控的熱核反應，即氫彈爆炸。要獲得取之不盡的新能源，必須使這一反應在可控條件下持續(xù)地進行。為實現(xiàn)可控核聚變有兩種方法，一是科學家們用托卡馬克裝置開展"磁約束聚變"的研究。另一條技術(shù)路線于20世紀60年代初提出的"激光慣性約束核聚變"。
慣性約束核聚變( Inertial Confined Fusion ICF ）的基本原理是：使用強大的脈沖激光束照射氘、氚燃料的微型靶丸上，在瞬間產(chǎn)生極高的高溫和極大的壓力，被高度壓縮的稠密等離子體在擴散之前，向外噴射而產(chǎn)生向內(nèi)聚心的反沖力，將靶丸物質(zhì)壓縮至高密度和熱核燃燒所需的高溫，并維持一定的約束時間，完成全部核聚變反應，釋放出大量的聚變能。然而聚變反應所要求的條件卻極為苛刻。首先要有1億度左右的高溫；其次，參與反應的粒子密度要足夠高并能維持一定的反應時間，即'nτ'值要達到1百萬億（秒/厘米3）以上，這就是著名的勞遜判據(jù)。一些國家的實驗室已經(jīng)在這類激光裝置上作了大量的基礎研究工作。美國、法國等已著手建造更大規(guī)模的巨型激光器，期望能夠?qū)崿F(xiàn)激光熱核"點火"。
我國從上世紀60年代即開始慣性約束聚變的研究，在王淦昌、王大珩的指導下，中國科學院和中國工程物理研究院從80年代開始聯(lián)合攻關(guān)，上海光機和長春光機都是協(xié)作單位。六十年代初，我國激光聚變研究剛剛起步的時候，錢學森院士就形像地指出：你們的事業(yè)是在地球上人造一個小太陽！ICF研究中關(guān)鍵設備是大功率的激光器。
神光-Ⅰ
1964年,我國著名核物理學家王淦昌院士獨立地提出激光聚變思想,并建議了具體方案. 按照這一創(chuàng)議,在我國第一個激光專業(yè)研究所-中國科學院上海光機所開始了高功率激光驅(qū)動器的研制和應用并于 1971年獲得氘-氘碰撞中子. 1978年中國工程物理研究院和中國科學院攜手合作, ICF研究進入了全面發(fā)展的新階段。近廿年來, 致力于研制和應用釹玻璃激光驅(qū)動器 -"神光"系列裝置, 取得了顯著進展, 推動了我國慣性約束聚變實驗和理論研究, 并在國際上占有一席之地。
神光I的主放大系統(tǒng)
1977年，上海光機所利用1千億瓦的6束激光系統(tǒng)裝置，對充氣玻殼靶照射獲得了近百倍的體壓縮。使我國的激光聚變研究進入了逐級論證向心聚爆原理的重要發(fā)展階段，為以后長期的持續(xù)發(fā)展奠定了基礎。1980年，王淦昌提出建造脈沖功率為1萬億瓦固體激光裝置的建議，稱為激光12號實驗裝置(神光I)。激光12號實驗裝置是建立在中國科學院上海光機所的一臺大型高功率激光實驗裝置，位于上海市嘉定區(qū)清河路390號光機所內(nèi)，1983年由上海光機所設計，總建筑面積4612平方米，為4層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，總高度15米。該裝置輸出兩束口徑為200mm的強光束，每束激光的峰功率達1萬億瓦，脈沖寬度有1ns和100ps兩種，波長為1.053μm的紅外光，可倍頻到0.53μm綠光。實驗室內(nèi)配有物理實驗靶室及全套診斷測量設備，能開展激光加熱與壓縮等離子物理現(xiàn)象的研究和激光X光譜等基礎研究工作。1985年7月，激光12號裝置按時建成并投入試運行。試運行中成功地進行了三輪激光打靶試驗，取得了很有價值的結(jié)果，達到了預期目標。該裝置是中國規(guī)模最大的高功率釹玻璃激光裝置，在國際上也是為數(shù)不多的大型激光工程。它由激光器系統(tǒng)、靶場系統(tǒng)、測量診斷系統(tǒng)和實驗環(huán)境工程系統(tǒng)組成。輸出激光總功率達1萬億瓦量級，而激光時間只有一秒鐘的十億分之一到百億分之一?？捎猛哥R聚焦到50毫微米的尺寸上，能產(chǎn)生10萬億億瓦/厘米2的功率密度。將這樣的光束聚焦在物質(zhì)的表面，可以產(chǎn)生上千萬度的高溫，并由此產(chǎn)生強大的沖擊波和反沖擊壓力。該裝置的高精度靶場系統(tǒng)，能適應0.1毫米量級的微球靶、黑洞靶、臺階靶、各類X光靶等多種靶型的實驗需要，并具有單束、雙束及兩路并束激光打靶的功能，為進行激光核聚變新能源研究及其他多種物理研究得供了重要實驗手段。1987年6月通過國家級的鑒定。
它的建成為進行世界前沿領(lǐng)域的激光物理試驗提供了有利的手段，對尖端科研和國民經(jīng)濟建設均具有重要意義。1986年夏天，張愛萍將軍為激光12號實驗裝置親筆題詞"神光"。于是，該裝置正式命名為神光-Ⅰ。1989年起，神光I直接驅(qū)動獲5000000中子產(chǎn)額，間接驅(qū)動獲10000中子產(chǎn)額，沖擊波壓強達0.8TPa，獲近衍射極限類氖鍺X光激光增益飽和。1990年，神光I獲得國家科技進步獎一等獎。
神光-Ⅱ
1993年，國家"863"計劃確立了慣性約束聚變主題，進一步推動了國家慣性約束聚變研究和高功率激光技術(shù)的發(fā)展。1994年，神光-Ⅰ退役。神光-Ⅰ連續(xù)運行8年，在激光慣性約束核聚變和X射線激光等前沿領(lǐng)域取得了一批國際一流水平的物理成果。1994年5月18日，神光Ⅱ裝置立項，工程正式啟動，規(guī)模比神光-Ⅰ裝置擴大4倍。
神光Ⅱ的主放大系統(tǒng)
神光Ⅱ裝置采用了國產(chǎn)高性能元器件，獨立自主解決了一系列的科學技術(shù)難題，達到國際最先進的高功率固體激光驅(qū)動器水平，實現(xiàn)我國這一領(lǐng)域新的跨越。該系統(tǒng)由激光器系統(tǒng)、靶場系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、光路自動準直系統(tǒng)、激光參數(shù)測量系統(tǒng)以及環(huán)境、質(zhì)量保障等系統(tǒng)組成，集成了數(shù)百臺套的各類激光單元或組件，在空間排成8路激光放大鏈，技術(shù)參數(shù)與當今世界上最先進的在運行的美國OMEGA裝置相當。2000年，神光Ⅱ裝置8路基頻功率達到8萬億瓦，開始試運行打靶。2000年起，直接驅(qū)動獲40億中子產(chǎn)額，間接驅(qū)動獲1億中子產(chǎn)額，直接驅(qū)動沖擊波壓強達1.5TPa，間接驅(qū)動沖擊波壓強達3.7TPa。2001年8月，神光Ⅱ裝置建成，總輸出能量達到6千焦耳／納秒，或8萬億瓦／100皮秒，總體性能達到國際同類裝置的先進水平。"神光Ⅱ"的數(shù)百臺光學設備集成在一個足球場大小的空間內(nèi)。神光Ⅱ能同步發(fā)射8束激光，在約150米的光程內(nèi)逐級放大：每束激光的口徑能從5毫米擴為近240毫米，輸出能量從幾十個微焦耳增至750焦耳/束。當8束強激光通過空間立體排布的放大鏈聚集到一個小小的燃料靶球時，在十億分之一秒的超短瞬間內(nèi)可發(fā)射出相當于全球電網(wǎng)電力總和數(shù)倍的強大功率，從而釋放出極端壓力和高溫，輻照充滿熱核燃料氣體的玻璃球殼，急速壓縮燃料氣體，使它瞬間達到極高的密度和溫度，從而引發(fā)熱核聚變。神光Ⅱ已實現(xiàn)"全光路自動準值定位"，實驗中能及時糾正因震動和溫度變化而帶來的儀器微偏，使輸出激光經(jīng)聚焦后可精確穿過一個約0.3毫米的小孔，僅比一根頭發(fā)絲略粗一點。
神光-Ⅲ
1995年，激光慣性約束核聚變在"863計劃"中立項，我國科研人員開始研制跨世紀的巨型激光驅(qū)動器--"神光-Ⅲ"裝置，計劃建成十萬焦耳級的激光裝置。2007年2月4日，中物院神光Ⅲ激光裝置實驗室工程舉行了盛大的開工奠基儀式。該工程位于綿陽中國工程物理研究院內(nèi)，建筑面積28154m2，平面布置：呈長方形布置，建筑物總長178m，總寬75m，建筑結(jié)構(gòu)十分復雜。規(guī)劃中的"神光-Ⅲ"裝置是一個巨型的激光系統(tǒng)，比當前世界最大的NOVA裝置還要大一倍多。原計劃它具有60束強光束,紫外激光能量達60KJ,質(zhì)量和精密性要達到廿一世紀的國際先進水平，現(xiàn)在該計劃可能已經(jīng)進一步修改，以提高能量規(guī)模。慣性約束聚變點火工程（2020年）被已確定為《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》的十六項重大專項之一。
目前，神光-Ⅲ原型裝置"十五"建設目標已圓滿完成，達到"8束出光，脈沖-萬焦耳"的水平，標志著我國成為繼美、法后世界上第三個系統(tǒng)掌握新一代高功率激光驅(qū)動器總體技術(shù)的國家，使我國成為繼美國之后世界上第二個具備獨立研究、建設新一代高功率激光驅(qū)動器能力的國家。
神光Ⅲ裝置是世紀之交我國歷史上光學領(lǐng)域最宏偉的科學工程，必將全面帶動相關(guān)科學技術(shù)攀登世界水平，是我國綜合國力在科技領(lǐng)域的標志性體現(xiàn)，其作用和意義不亞于當年的"兩彈"。這是挑戰(zhàn)也是機遇，在王淦昌、王大珩、于敏等老一輩科學家?guī)ьI(lǐng)下，已奮斗了三十多年,取得矚目成果，而這只不過是序幕，需要幾代人的不懈努力。根據(jù)規(guī)劃，我國在2010年前后還將研制"神光IV"核聚變點火裝置。
2008年11月16日晚，中央電視臺新聞聯(lián)播曝光了中國工程物理研究院的慣性約束核聚變激光驅(qū)動裝置原型。
豫公網(wǎng)安備41019702003646號