中科院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所高功率激光物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的神光Ⅱ高功率激光實(shí)驗(yàn)裝置,被譽(yù)為“在地球上人造一個(gè)小太陽(yáng)的大科學(xué)工程”。
多年來(lái),神光Ⅱ裝置相繼獲得國(guó)家、中科院和上海市的各類獎(jiǎng)項(xiàng)以及“全國(guó)十大科技進(jìn)展”等殊榮。
今天,神光Ⅱ及其第九路裝置依舊保持著高效運(yùn)轉(zhuǎn),并一次次刷新我國(guó)在高功率激光研究領(lǐng)域的紀(jì)錄。


截至2006年,神光Ⅱ裝置已經(jīng)累計(jì)提供運(yùn)行打靶3000多發(fā)次。開(kāi)展了慣性約束聚變、X光激光等研究約30輪物理實(shí)驗(yàn),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(dòng)打靶,獲得單發(fā)40億中子,是國(guó)際同類裝置獲中子產(chǎn)額的最好水平。開(kāi)展的物理實(shí)驗(yàn)為我國(guó)ICF研究做出了重大貢獻(xiàn),標(biāo)志著我國(guó)激光慣性約束實(shí)驗(yàn)已經(jīng)真正躍上了一個(gè)短波長(zhǎng)、大功率激光打靶的新階段,對(duì)提高綜合國(guó)力具有重要意義。
國(guó)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(duì)溫度變化敏感、易開(kāi)裂等一系列不利于光學(xué)加工的特點(diǎn),也是ICF光學(xué)元件制造中公認(rèn)的最困難的環(huán)節(jié)。
詳解中國(guó)“神光”計(jì)劃(1980年——2030年)
世界第一臺(tái)激光器問(wèn)世是在1960年6月,中國(guó)第一臺(tái)激光器是在1961年9月。從1961年中國(guó)第一臺(tái)激光器宣布研制成功至今,我國(guó)形成了門(mén)類齊全、水平先進(jìn)、應(yīng)用廣泛的激光科技領(lǐng)域,并在產(chǎn)業(yè)化上取得可喜進(jìn)步,可以說(shuō),在起步階段我國(guó)的激光技術(shù)發(fā)展迅速,無(wú)論是數(shù)量還是質(zhì)量,都和當(dāng)時(shí)國(guó)際水平接近,一項(xiàng)創(chuàng)新性技術(shù)能夠如此迅速趕上世界先進(jìn)行列,在我國(guó)近代科技發(fā)展史上并不多見(jiàn)。這些成績(jī)的取得,尤其是能夠把物理設(shè)想、技術(shù)方案順利地轉(zhuǎn)化成實(shí)際激光器件,主要得力于我國(guó)多年來(lái)在技術(shù)光學(xué)、精密機(jī)械和電子技術(shù)方面積累的綜合能力和堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
1957年,王大珩等在長(zhǎng)春建立了我國(guó)第一所光學(xué)專業(yè)研究所--中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密儀器機(jī)械研究所(簡(jiǎn)稱"長(zhǎng)春光機(jī)所")。在老一輩專家?guī)ьI(lǐng)下,一批青年科技工作者迅速成長(zhǎng),鄧錫銘是其中的突出代表。早在1958年美國(guó)物理學(xué)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(dǎo)開(kāi)展這項(xiàng)新技術(shù)研究,在短時(shí)間內(nèi)凝聚了富有創(chuàng)新精神的中青年研究隊(duì)伍,提出了大量提高光源亮度、單位色性、相干性的設(shè)想和實(shí)驗(yàn)方案。1960年世界第一臺(tái)激光器問(wèn)世。1961年夏,在王之江主持下,我國(guó)第一臺(tái)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(jìn)成果。各種類型的固體、氣體、半導(dǎo)體和化學(xué)激光器相繼研制成功。在基礎(chǔ)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(shí)施,其中不少具有獨(dú)創(chuàng)性。
同時(shí),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(yīng)用于各技術(shù)領(lǐng)域,顯示出強(qiáng)大的生命力和競(jìng)爭(zhēng)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(shí)現(xiàn)3~30公里的通話。工業(yè)方面,1965年5月激光打孔機(jī)成功地用于拉絲模打孔生產(chǎn),獲得顯著經(jīng)濟(jì)效益。醫(yī)學(xué)方面,1965年6月激光視網(wǎng)膜焊接器進(jìn)行了動(dòng)物和臨床實(shí)驗(yàn)。國(guó)防方面,1965年12月研制成功激光漫反射測(cè)距機(jī)(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(cè)速儀。
激光技術(shù)的發(fā)展
中國(guó)激光科技從一開(kāi)始就得到了國(guó)家的高度重視。1964年,中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所(簡(jiǎn)稱"上海光機(jī)所")成立。1964年國(guó)家啟動(dòng)"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(dá)32萬(wàn)焦耳;改善光束質(zhì)量后達(dá)3萬(wàn)焦耳。成功地進(jìn)行了打靶實(shí)驗(yàn),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(qiáng)激光輻射的生物效應(yīng)和材料破壞機(jī)理。最后從技術(shù)上判定熱效應(yīng)是根本性技術(shù)障礙,于1976年下馬。這一項(xiàng)目使我國(guó)激光技術(shù)科研水平上了一個(gè)臺(tái)階。
高功率激光和核聚變研究
1964年王淦昌獨(dú)立提出激光聚變倡議,1965年立項(xiàng)開(kāi)始研究。經(jīng)幾年努力,建成了輸出功率100億瓦的納秒級(jí)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(guó)第一臺(tái)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(gè)量級(jí)。在國(guó)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(duì)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(guó)的激光聚變研究進(jìn)入世界先進(jìn)行列,也為以后長(zhǎng)期的持續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。我國(guó)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(diǎn)項(xiàng)目的支撐,仍艱難地生存了下來(lái)并取得了可貴的進(jìn)展。
改革開(kāi)放后,我國(guó)激光技術(shù)獲得了空前發(fā)展的機(jī)遇。1980年5月,分別在上海、北京舉行了第一次國(guó)際激光會(huì)議,與會(huì)代表218人(國(guó)外66人),鄧小平同志親切接見(jiàn)了與會(huì)中外代表。1983年在廣州和1986年在廈門(mén)又舉行了第二次、第三次國(guó)際會(huì)議,改變了我國(guó)的激光技術(shù)多年來(lái)封閉運(yùn)轉(zhuǎn)的局面,開(kāi)始走向世界。先后成立了一批國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家工程研究中心和產(chǎn)學(xué)研組織。在多項(xiàng)國(guó)家級(jí)戰(zhàn)略性科技計(jì)劃中,激光技術(shù)受到重視。"863"計(jì)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(guó)防預(yù)研光電子技術(shù)作為跨部門(mén)項(xiàng)目正式立項(xiàng),其中也包括激光技術(shù)。國(guó)家"六五"和"七五"攻關(guān)計(jì)劃,激光技術(shù)被列為重大項(xiàng)目。
慣性約束聚變激光驅(qū)動(dòng)器
人類的能源從根本上說(shuō)來(lái)自核聚變反應(yīng),即發(fā)生在太陽(yáng)上的"輕核聚變"。人類已經(jīng)在地球上實(shí)現(xiàn)了不可控的熱核反應(yīng),即氫彈爆炸。要獲得取之不盡的新能源,必須使這一反應(yīng)在可控條件下持續(xù)地進(jìn)行。為實(shí)現(xiàn)可控核聚變有兩種方法,一是科學(xué)家們用托卡馬克裝置開(kāi)展"磁約束聚變"的研究。另一條技術(shù)路線于20世紀(jì)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(qiáng)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(kuò)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(shí)間,完成全部核聚變反應(yīng),釋放出大量的聚變能。然而聚變反應(yīng)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(yīng)的粒子密度要足夠高并能維持一定的反應(yīng)時(shí)間,即'nτ'值要達(dá)到1百萬(wàn)億(秒/厘米3)以上,這就是著名的勞遜判據(jù)。一些國(guó)家的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)在這類激光裝置上作了大量的基礎(chǔ)研究工作。美國(guó)、法國(guó)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(diǎn)火"。
我國(guó)從上世紀(jì)60年代即開(kāi)始慣性約束聚變的研究,在王淦昌、王大珩的指導(dǎo)下,中國(guó)科學(xué)院和中國(guó)工程物理研究院從80年代開(kāi)始聯(lián)合攻關(guān),上海光機(jī)和長(zhǎng)春光機(jī)都是協(xié)作單位。六十年代初,我國(guó)激光聚變研究剛剛起步的時(shí)候,錢(qián)學(xué)森院士就形像地指出:你們的事業(yè)是在地球上人造一個(gè)小太陽(yáng)!ICF研究中關(guān)鍵設(shè)備是大功率的激光器。
神光-Ⅰ
1964年,我國(guó)著名核物理學(xué)家王淦昌院士獨(dú)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(guó)第一個(gè)激光專業(yè)研究所-中國(guó)科學(xué)院上海光機(jī)所開(kāi)始了高功率激光驅(qū)動(dòng)器的研制和應(yīng)用并于 1971年獲得氘-氘碰撞中子. 1978年中國(guó)工程物理研究院和中國(guó)科學(xué)院攜手合作, ICF研究進(jìn)入了全面發(fā)展的新階段。近廿年來(lái), 致力于研制和應(yīng)用釹玻璃激光驅(qū)動(dòng)器 -"神光"系列裝置, 取得了顯著進(jìn)展, 推動(dòng)了我國(guó)慣性約束聚變實(shí)驗(yàn)和理論研究, 并在國(guó)際上占有一席之地。

1985年7月,激光12號(hào)裝置按時(shí)建成并投入試運(yùn)行。試運(yùn)行中成功地進(jìn)行了三輪激光打靶試驗(yàn),取得了很有價(jià)值的結(jié)果,達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。該裝置是中國(guó)規(guī)模最大的高功率釹玻璃激光裝置,在國(guó)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(chǎng)系統(tǒng)、測(cè)量診斷系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)環(huán)境工程系統(tǒng)組成。輸出激光總功率達(dá)1萬(wàn)億瓦量級(jí),而激光時(shí)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(wàn)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(wàn)度的高溫,并由此產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波和反沖擊壓力。該裝置的高精度靶場(chǎng)系統(tǒng),能適應(yīng)0.1毫米量級(jí)的微球靶、黑洞靶、臺(tái)階靶、各類X光靶等多種靶型的實(shí)驗(yàn)需要,并具有單束、雙束及兩路并束激光打靶的功能,為進(jìn)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(shí)驗(yàn)手段。1987年6月通過(guò)國(guó)家級(jí)的鑒定。
它的建成為進(jìn)行世界前沿領(lǐng)域的激光物理試驗(yàn)提供了有利的手段,對(duì)尖端科研和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)均具有重要意義。1986年夏天,張愛(ài)萍將軍為激光12號(hào)實(shí)驗(yàn)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(dòng)獲5000000中子產(chǎn)額,間接驅(qū)動(dòng)獲10000中子產(chǎn)額,沖擊波壓強(qiáng)達(dá)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(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。
神光-Ⅱ
1993年,國(guó)家"863"計(jì)劃確立了慣性約束聚變主題,進(jìn)一步推動(dòng)了國(guó)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(yùn)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(guó)際一流水平的物理成果。1994年5月18日,神光Ⅱ裝置立項(xiàng),工程正式啟動(dòng),規(guī)模比神光-Ⅰ裝置擴(kuò)大4倍。

"神光Ⅱ"的數(shù)百臺(tái)光學(xué)設(shè)備集成在一個(gè)足球場(chǎng)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(jí)放大:每束激光的口徑能從5毫米擴(kuò)為近240毫米,輸出能量從幾十個(gè)微焦耳增至750焦耳/束。當(dāng)8束強(qiáng)激光通過(guò)空間立體排布的放大鏈聚集到一個(gè)小小的燃料靶球時(shí),在十億分之一秒的超短瞬間內(nèi)可發(fā)射出相當(dāng)于全球電網(wǎng)電力總和數(shù)倍的強(qiáng)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(dá)到極高的密度和溫度,從而引發(fā)熱核聚變。神光Ⅱ已實(shí)現(xiàn)"全光路自動(dòng)準(zhǔn)值定位",實(shí)驗(yàn)中能及時(shí)糾正因震動(dòng)和溫度變化而帶來(lái)的儀器微偏,使輸出激光經(jīng)聚焦后可精確穿過(guò)一個(gè)約0.3毫米的小孔,僅比一根頭發(fā)絲略粗一點(diǎn)。
神光-Ⅲ
1995年,激光慣性約束核聚變?cè)?863計(jì)劃"中立項(xiàng),我國(guó)科研人員開(kāi)始研制跨世紀(jì)的巨型激光驅(qū)動(dòng)器--"神光-Ⅲ"裝置,計(jì)劃建成十萬(wàn)焦耳級(jí)的激光裝置。2007年2月4日,中物院神光Ⅲ激光裝置實(shí)驗(yàn)室工程舉行了盛大的開(kāi)工奠基儀式。該工程位于綿陽(yáng)中國(guó)工程物理研究院內(nèi),建筑面積28154m2,平面布置:呈長(zhǎng)方形布置,建筑物總長(zhǎng)178m,總寬75m,建筑結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜。規(guī)劃中的"神光-Ⅲ"裝置是一個(gè)巨型的激光系統(tǒng),比當(dāng)前世界最大的NOVA裝置還要大一倍多。原計(jì)劃它具有60束強(qiáng)光束,紫外激光能量達(dá)60KJ,質(zhì)量和精密性要達(dá)到廿一世紀(jì)的國(guó)際先進(jìn)水平,現(xiàn)在該計(jì)劃可能已經(jīng)進(jìn)一步修改,以提高能量規(guī)模。慣性約束聚變點(diǎn)火工程(2020年)被已確定為《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》的十六項(xiàng)重大專項(xiàng)之一。
目前,神光-Ⅲ原型裝置"十五"建設(shè)目標(biāo)已圓滿完成,達(dá)到"8束出光,脈沖-萬(wàn)焦耳"的水平,標(biāo)志著我國(guó)成為繼美、法后世界上第三個(gè)系統(tǒng)掌握新一代高功率激光驅(qū)動(dòng)器總體技術(shù)的國(guó)家,使我國(guó)成為繼美國(guó)之后世界上第二個(gè)具備獨(dú)立研究、建設(shè)新一代高功率激光驅(qū)動(dòng)器能力的國(guó)家。
神光Ⅲ裝置是世紀(jì)之交我國(guó)歷史上光學(xué)領(lǐng)域最宏偉的科學(xué)工程,必將全面帶動(dòng)相關(guān)科學(xué)技術(shù)攀登世界水平,是我國(guó)綜合國(guó)力在科技領(lǐng)域的標(biāo)志性體現(xiàn),其作用和意義不亞于當(dāng)年的"兩彈"。這是挑戰(zhàn)也是機(jī)遇,在王淦昌、王大珩、于敏等老一輩科學(xué)家?guī)ьI(lǐng)下,已奮斗了三十多年,取得矚目成果,而這只不過(guò)是序幕,需要幾代人的不懈努力。根據(jù)規(guī)劃,我國(guó)在2010年前后還將研制"神光IV"核聚變點(diǎn)火裝置。
2008年11月16日晚,中央電視臺(tái)新聞聯(lián)播曝光了中國(guó)工程物理研究院的慣性約束核聚變激光驅(qū)動(dòng)裝置原型。