激光点火

激光驱动器
（（1）高峰值功率 : 基于啁啾脉冲放大技术或参量 放大技术 , 研究发展超高峰值功率激光技术 , 将激光 脉冲峰值功率由目前拍瓦量级推向艾瓦( EW) 量级。
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面向激光聚变科学未来需求 , 创新发展 第三代激光驱动器
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（2）复合工作体制 : 即由现有装置的单一工作体制 , 发展为多运行体制 、 多脉宽体制 、 多波长体制
的振幅 ，位相和偏振的主动控制 , 即发展强激光脉冲全域控 制理论和技术 ; 其次 根据高能量密度物理实验的相关要求 , 研 究与发展 “ 干净” 光束或“ 干净Leabharlann Baidu 脉冲的基本概念与技术。
谢谢老师，同学们！
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激光核聚变与高功率激光
1.激光核聚变的研发价值与背景
20 世纪 60 年代初 , 我国激光核聚变研究刚刚起 步的时候 , 钱学森 院士就形象地指出 : 你们的事业 是在地球上人造一个小太阳 !太阳的巨大能量来源于 “ 聚变反应“: 即两个氘核在高温高压下聚合成一 个氦核并释放出携带动能的中子 。如果能在可控条 件下有序地释放聚变能 , 则可以像太阳那样提供几乎 取之不尽的能源。这正是 “ 激光核聚变”研究的内 容和目标 . 经过近半个世纪的努力探索 ,伴随着高功 率激光技术的长足发展 , 激光聚变研究取得重大进展 , “聚变点火 ” 的曙光已经显现。聚变能源的前景 虽还遥远但是可望。
• 4 1986 年 , 中科院上海光机所建成神光 -Ⅰ激光装置 , 规模和性能与 美国利弗莫尔实验室的 Argus装置相当 , 标志着我国基本上掌握了第 一代高功率激光驱动器的关键技术 , 达到国际先进水平 . 1987年验 收后 , 成为我国第一台可以用于进行 I CF 实验研究的高功率激光装 置。
5.“ 聚变点火” 曙光初现 — 激光聚变的科学可行性验证
最为引人瞩目的是美国国家点火装置(简称NIF) 的研制与建设 . 经十多年努力 , 2002 年 12 月 , NIF 实现了4束激光首次出光的阶段目标 , 全面验证了科学技 术与工程设计 ; 200 6 年 12 月 NIF 实现了48 束激光输出达标的阶段目标 , 首 次获得了高达 1 M J/ ω 的激光能量 ; 2009 年 3 月宣布全部建成 , 全面进入聚 变点火实验阶段 ; 在 2010 —2011 开始低能量 、低增益聚变实验 . 可以预期 , 近年内激光聚变点火将会实现 , 并进一步向高增益发展 . 聚变能源的工程演示 试验也已提到日程上来了 , 欧洲 、 美国先后制定了以聚变能源为目标的发展 规划 HiPER 和LIFE 计划 .
6 .我国高功率激光器的发展历程
一，创立聚变研究基础 , 研制发展第一代激光驱动器
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1973 年 , 中国科学院上海光学精密机械研究所研制成功我国第一台 输出 40J/ 4n s 的单路万兆瓦钕玻璃激光驱动器 ; 次年又将该装置升级 至 1011W , 首次利用该装置照射冰氘靶产生了中子 .
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3.激光核聚变
面临的问题
（1） 为了实现持续的聚变 反应 , 需要的条件极为苛刻 .首先 , 要有 1 亿 度左右的高温 . “高温”意味着原子核处于高速运动状 态 , 而只有高速运动才能克服原子核之间强大的斥力使之相互接近 并聚合 . 高温是产生聚变的必要条件 , 但并不充分 , 还需要有足够 的反应几率 这就要求参与反应的粒子密度足够高 并能持续作用一 定时间 , 即 “ nτ ” 值要达到 1014s / c m3以上 . 这是英国科学家 劳逊提出的判据, 称之为 “劳逊判据 ” 或 “ 劳逊条件” , 为聚 变 研究指明了方向 。 （2）要实现“劳逊条件 “ 是十分困难的 。 不仅达到所需的高 温和“ nτ ” 值本身难度很大 , 而且这两个条件又相互制约 : 当温 度足够高时 , 任何物质都变成等离子体 , 高温下要急剧膨胀 , 使 “ nτ ” 值大幅下降 , 而且温度本身也随膨胀而降低 . 所以还必需
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（4）高光束质量 : 突破传统的光束质量概念 , 首先应根据不 同应用领域对强激光 束控制的基本要求 , 探索与发展若干创
总体能量转换效率由目前的不到 1 % 逐步提升到 10 %; 其次 , 要求 进一步提升装置总体的运行发射 效率 。
新性技术 , 分别在时域 、 空域或频域实现对高功率激光脉冲
• 5 2001 年 , 建成了神光 - Ⅱ 激光装置 , 该装置输出功率较神光 - I 提 高了约 4 倍 , 8 路输出 , 且具有3倍频打靶能力 , 使我国 ICF 实验研 究迈 上了一个新台阶 .
6 .我国高功率激光器的发展历程
二，以聚变点火为牵引目标，研制和发展第二代驱动器
按照“ 三个台阶三步走” 的规划 , 发展第二代驱动器 第一步是研制万焦耳量级的神光 -Ⅲ原型装置 , 主要目标是研究并解决新一代 高功率激光驱动器主要科学技术问题 ; 第二步是建造 10 万焦耳量级的神光 -Ⅲ主机装置 , 以全面掌握新一代高功率激 光驱动器科学技术问题和主要的工程问题 ; 第三步是建造 100 万焦耳量级的点火装置 , 构筑开展聚变点火物理实验的研究 平台 , 实现实验室条件下聚变点火的总体目标 . 2007 年 , 建成了第一步规划的神光 III 原型装置 ,并通过国家验收 . 原型装置是 一台 8 束 300mm 口径光束 、万焦耳量级 、三倍频激光输出的新一代激光驱 动器 . 研究并掌握 了以“方形光束 + 组合口径 + 多程放大技术”为主要标志 的第二代高功率激光驱动器总体技术路线，使我国成为国际上少数几个具有这 种综合技术能力的国家 ; 同时 , 也为制定与设计神光 -Ⅲ主机装置总体技术方 案 奠定了坚实的基础 .
1978年 , 完成了六路激光装置的研制 , 每路输出 25J , 为初步开展 ICF研究提供了必需的条件 1985年 , 中 国工程物理研究院研制一 台输出功率为 1011W的激 光装置 ( 后命名为星光 - I 激光装置) , 安装于四川绵阳 。上世纪 90 年 代升级为 星光 -Ⅱ装置 , 在 1ns 脉冲宽度条件下 , 三倍频输出能量达到 130 J , 成为 当时我国唯一适用于 ICF 实验研究的高功率紫外光激光装置 .
2.激光核聚变的基本原理
重原子核裂变后因质量亏损而释放出内能. 由此导致了原子弹 爆炸和核电站开发 . 以后又发现了轻原子聚变后释放能量的威 力更为强大 . 典型例子是氘与氚核聚合成氦原子 , 并释放 17 . 6 MeV的中子 :聚变反应后的产物( 氦 + 中子 ) 总质量小于反应前的( 氘 + 氚) 质量 , 亏损的质量转化为 17 . 6MeV 能量释放出来 。
等系统 . 多运行体制是由单脉冲运行体制向单脉冲 、脉冲串 、 低重复频率等运行体制发展 ; 多脉宽体制 是由单一脉宽输出体制 向纳秒 、 皮秒 、 飞秒 脉冲同时“ 零抖动” 输出体制发展( 即FPN 兼容体制) ; 多波长体制是由单一波长输出体制向多波长脉冲同时输出体制发展 。
（3）高效率 : 首先要求装置
197 2 年 , 美国劳伦斯 · 利 弗莫尔国家实验室 ( LLNL) 的 Nuckolls 等人提出了利用强激光 束对充有氘 、 氚气体的微球靶进行内爆压缩 , 从而实现有效热核燃烧的概念 , 并从理论上 预言了基于这一概念实现聚变所需激光能量 . 这一结果指明了激光聚变研究的方向和技术 途径 , 具有里程碑的意义。
5.“ 聚变点火” 曙光初现 — 激光聚变的科学可行性验证 究竟需要多大驱动能量才能达到点火和能量增益呢 ?
这是国际激光聚变科技界长期关注的问题 .1985 年至 1988 年间 , 美 国实施“百人队长 ” 计划 , 利用地下核爆辐射的 X 射线作为驱动源 , 辐照氘 ，氚靶丸 ,进行了一系列间接驱动型的小囊试验 , 成功地实现 了具有 10 —100 倍能量增益的聚变反应 , 而且实验结果和LASNEX 程序计算相符 , 证实了惯性约束聚变的科学可行性 , 也明确了需要有 百万焦耳级的驱动能量才能满足点火要求 . 这一结果公布后 , 结束了 关于ICF 科学可行性不同意见的争论, 极大地推进了国际 ICF 研究 . 1989 年 , 主要国家的科学家聚 会西班牙 , 发表了著名的“ 马德 里宣言“ , 号召全世界科学家合作 , 向点火目标前进 . 为此 , 许多研究 机构制定了建造大型高功率激光装置的计划 。
设法把高温等离子体 “ 约束”住。
4.激光核聚变 发展之路
高功率激光促进了惯性约束聚变( 激光聚变) 的创立和发展
高功率激光照射含氘材料产生中子 ———
激光聚变原理的初步验证
多束高功率激光驱动的内爆压缩理论和技术的突破
1968 年 , 前苏联科学家巴索夫用皮秒 脉宽的激光照射 LiD 靶 , 首次观察到 了中子输出。1973年 , 中国科学院上 海光学精密机械研究所在万兆瓦钕玻 璃激光装置上 , 也获得了103产额的中 子 。这一阶段的成果表明 , 聚焦的高 功率激光能够产生必需的高温 , 并引发 聚变反应 , 初步验证了激光聚变的原理 可行性。