2020年是激光誕生60周年，是值得紀(jì)念的一年。激光是20世紀(jì)以來(lái)，繼原子能、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體之后，人類科學(xué)史上的又一重大發(fā)明，被稱為“最快的刀”、“最準(zhǔn)的尺”和“最亮的光”。自1960年第一臺(tái)激光器問(wèn)世以來(lái)，人類掌握了一種無(wú)與倫比的強(qiáng)大光源和工具，極大地推動(dòng)了科技進(jìn)步，也照亮了我們的生活。值此激光發(fā)明60周年之際，信息管理中心調(diào)研團(tuán)隊(duì)從激光理論提出及激光器發(fā)明與發(fā)展、激光應(yīng)用、中國(guó)激光事業(yè)發(fā)展及國(guó)外大型激光裝置建造四個(gè)方面對(duì)激光技術(shù)發(fā)展歷程進(jìn)行了全面梳理回顧，希望以此以饗讀者，共慶激光發(fā)明60周年。

國(guó)外大型激光裝置

1974 to 2019

1974

KMS激光聚變公司用兩束近乎正交的激光照射含氘氦混合氣體的玻璃束殼靶，獲得了3×105中子產(chǎn)額和50~100倍的體壓縮，是當(dāng)時(shí)國(guó)際ICF研究的一項(xiàng)標(biāo)志性成果。

1974

美國(guó)勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 (LLNL) 單束Janus激光器建成。同年晚些時(shí)候，對(duì)Janus進(jìn)行了改造升級(jí)，正如為它命名的神靈“兩面神”，改造后的Janus為雙束裝置，兩路激光從相反的方向射向靶丸。Janus最初被定義為大功率激光裝置，但是最終只能產(chǎn)生約10J能量的激光脈沖。

圖6 1975年Janus激光器

1974

LLNL單束Cyclops激光器建成，是當(dāng)時(shí)尚未建成的20束10.2kJ Shiva激光裝置的原型裝置。

圖7 Cyclops激光器

1976

英國(guó)政府科學(xué)研究委員決定終止對(duì)英國(guó)幾個(gè)主要的高功率激光裝置的投資，將資金投入Vulcan（火神）裝置的建設(shè)中。

圖8 Vulcan裝置示意圖

1976

LLNL雙束Argus激光裝置建成，該裝置于1981年9月停止使用并拆除。其聚變產(chǎn)額最高達(dá)到了109。Argus激光裝置的一個(gè)重大成就是首次發(fā)現(xiàn)通過(guò)使用二倍頻、三倍頻激光，而不是直接使用由激光產(chǎn)生的紅外線，能夠產(chǎn)生熱電子，從而減少硬X射線的產(chǎn)生。

圖9 雙束Argus激光裝置激光大廳

1977

LLNL Shiva裝置建成，該裝置擁有20路光束，輸出能量達(dá)10.2kJ。

圖10 Shiva裝置

1978

日本大阪大學(xué)激光工程研究所 (ILE) 建成Gekko-Ⅳ裝置，該裝置用摻釹磷酸鹽玻璃代替摻釹硅酸鹽玻璃做激光放大器的工作介質(zhì)。

1979

前蘇聯(lián)Iskra-4裝置建成，該裝置擁有8路光束，為碘分子激光器。

1980

羅切斯特大學(xué)激光能量實(shí)驗(yàn)室 (UR/LLE) 擁有24路光束的Omega裝置建成。

1983

LLNL的雙束2.5kJ Novette裝置建成，該裝置是第一臺(tái)使用磷酸二氫鉀 (KDP) 晶體制成的光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換器的激光裝置。

圖11 Novette靶室

1983

日本Gekko-Ⅻ裝置建成。該裝置由日本大阪大學(xué)激光工程所 (ILE) 指定日本電氣公司負(fù)責(zé)建設(shè)，為擁有基頻、二倍頻和三倍頻能力的激光裝置，擁有12路光束，是當(dāng)時(shí)世界上最大的釹玻璃激光裝置。

1984

LLNL建成Nova激光裝置，該裝置脈沖能量為45kJ，脈寬2.5ns，是全世界第一臺(tái)拍瓦級(jí)激光裝置，裝置峰值功率達(dá)1.5PW。1999年6月，Nova裝置進(jìn)行了最后一次試驗(yàn)后拆卸。

圖12 Nova裝置靶室

1989

前蘇聯(lián)Iskra-5裝置建成。2003年，該裝置改為二倍頻裝置。

圖13 Iskra-5裝置靶室

1990

美國(guó)國(guó)會(huì)批準(zhǔn)并投資6100萬(wàn)美元對(duì)Omega裝置進(jìn)行升級(jí)。

1993

美國(guó)能源部長(zhǎng)詹姆斯?沃特金斯 (James Watkins) 簽署了第0號(hào)決議，確認(rèn)國(guó)家點(diǎn)火裝置的任務(wù)需求。決策表明，NIF是為支持慣性約束聚變計(jì)劃需要實(shí)現(xiàn)的點(diǎn)火和熱核聚變、燃燒增益而提出的。

1994

LLNL單束B(niǎo)eamlet激光裝置建成，該裝置為NIF的原型裝置。

圖14 Beamlet激光裝置

1995

Omega裝置完成升級(jí)工作，光路達(dá)到60路，輸出能量為30kJ。

1995

5月，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室 (NRL) Nike KrF激光裝置建成，該裝置為直接驅(qū)動(dòng)裝置，能夠以248nm波長(zhǎng)產(chǎn)生3kJ能量。

1996

法、美兩國(guó)簽署一項(xiàng)加強(qiáng)兩國(guó)核協(xié)作的協(xié)議，美國(guó)同意幫助原子能與替代能源委員會(huì) (CEA) 建造兆焦耳激光器(Laser Megajoule, LMJ)。原計(jì)劃建造240束光路，后改為建造176束。

1996

開(kāi)始進(jìn)行LMJ裝置原型裝置LIL裝置的建造工作，該裝置擁有8路光束。2002年，該裝置首次出光，于2014年完成最后一次試驗(yàn)并關(guān)閉。

1997

美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置 (NIF) 開(kāi)始建造。

2002

英國(guó)完成具有10路光束的Vulcan裝置的升級(jí)。升級(jí)后的Vulcan裝置能夠以拍瓦級(jí)運(yùn)行。這次升級(jí)的一個(gè)重要原因是LLNL決定關(guān)閉Nova裝置，以便集中力量建造NIF。經(jīng)過(guò)與美國(guó)能源部的商討，美國(guó)將價(jià)值100萬(wàn)英鎊的米級(jí)尺寸的光學(xué)元件以及建造拍瓦裝置所需的其他設(shè)備交給英國(guó)，以換取在Vulcan裝置上一定的實(shí)驗(yàn)時(shí)間。目前，Vulcan裝置是以拍瓦級(jí)運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的用戶裝置。

2003

2月，美國(guó)國(guó)會(huì)批準(zhǔn)1300萬(wàn)美元，開(kāi)始建造Omega EP激光裝置。該裝置于2008年5月建造完成，輸出脈寬為1ps時(shí)，峰值功率可達(dá)到1PW。Omega EP的輸出即可以加載到Omega EP的靶室上，也可以加載到Omega裝置的靶室上。

2003

LMJ裝置于法國(guó)南部波爾多市的阿基坦科技研究中心破土動(dòng)工。2008年，開(kāi)始試運(yùn)行。之后法國(guó)又為L(zhǎng)MJ裝置增加了PETAL (ICF PETawatt Aquitaine Laser), 是一路短脈沖(500fs~10ps), 超高功率(1~7PW),高能 (1~3.5kJ) 光束。

圖15 LMJ 裝置激光器系統(tǒng)的主要組成部分

圖16 PETAL與LMJ裝置示意圖

2003

日本Gekko-Ⅻ裝置開(kāi)始以拍瓦級(jí)運(yùn)行，該裝置是亞洲第一臺(tái)拍瓦級(jí)激光裝置，為二倍頻激光裝置，主要用于進(jìn)行快點(diǎn)火研究。

2003

4月，日本大阪大學(xué)激光工程研究所啟動(dòng)了“快點(diǎn)火實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn) (FIREX)”項(xiàng)目的LFEX激光器 (Laser for Fusion Experiment) 建造工作，該裝置建在Gekko-Ⅻ旁邊，目的是利用Gekko-Ⅻ壓縮激光，利用LFEX加熱激光，從而達(dá)到加熱溫度 (10keV)。

圖17 LFEX裝置和 Gekko-Ⅻ裝置

2006

10個(gè)國(guó)家和地區(qū)的30個(gè)科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合向歐盟提出的極端光設(shè)施 (Extreme Light Infrastructure,簡(jiǎn)稱ELI) 計(jì)劃。

2009

3月，NIF成為世界上第一臺(tái)突破1MJ門檻的激光裝置。

圖18 NIF靶室

2009

6月，NIF正式投入使用，建造共耗資35億美元。

2012

俄羅斯開(kāi)始建造UFL-2M裝置，該裝置為二倍頻裝置，計(jì)劃建造192路，將用于高能量密度物理和能源領(lǐng)域的研究。

圖19 Iskra-5裝置、Luch裝置、UFL-2M裝置鳥(niǎo)瞰圖

2013

4月，英國(guó)Orion裝置建成，該裝置擁有短脈沖拍瓦束，峰值功率可達(dá)到1PW。

2015

法國(guó)Apollon裝置建成，預(yù)計(jì)后期峰值功率達(dá)5PW。

2018

6月，NIF激光裝置成功產(chǎn)生了2.15MJ的能量和500萬(wàn)億瓦的峰值功率，比NIF激光能量設(shè)計(jì)指標(biāo)1.8MJ高15%。

2019

3月，羅馬尼亞的極端光基礎(chǔ)設(shè)施——核物理裝置 (ELI-NP) 產(chǎn)生了第一個(gè)10PW峰值功率水平的脈沖，其性能達(dá)到了前所未有的水平。

圖20 ELI-NP分布圖

本 文 作 者

中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心信息中心

張 可，王 云，唐道潤(rùn)，程 功，張惠鴿