我國的高功率固體激光驅(qū)動(dòng)器發(fā)展與激光慣性約束核聚變(ICF)研究，始于20世紀(jì)70年代初。1981～1986年建造的1012瓦兩路“神光I”裝置是我國第一臺(tái)高功率激光驅(qū)動(dòng)器裝置。

神光Ⅱ裝置在神光I基礎(chǔ)上建設(shè)，于1989年開始論證，1994年啟動(dòng)，在工程實(shí)施中經(jīng)歷了兩個(gè)階段，即主體裝置工程與精密化工程。1998年精密化項(xiàng)目在神光Ⅱ工程逐步達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上同步開展，于2004年通過驗(yàn)收，指標(biāo)水平與當(dāng)時(shí)國際運(yùn)行中的最先進(jìn)的裝置基本等同。

神光Ⅱ裝置是國內(nèi)首個(gè)集物理理論、診斷、制靶、物理實(shí)驗(yàn)和驅(qū)動(dòng)器五位一體的綜合性ICF研究平臺(tái)，使我國成為繼美國之后第二個(gè)具備獨(dú)立研制、建設(shè)新一代高功率激光驅(qū)動(dòng)器能力的國家。

神光Ⅱ裝置方案設(shè)計(jì)

神光Ⅱ研制中，首創(chuàng)提出了組合式同軸雙程片狀主放大器構(gòu)型，并將其與經(jīng)典主振蕩功率放大器(MOPA)相結(jié)合，構(gòu)成了裝置的總體設(shè)計(jì)思想。神光Ⅱ裝置總體系統(tǒng)由前端分系統(tǒng)、預(yù)放大器分系統(tǒng)、主放大器分系統(tǒng)、終端光學(xué)分系統(tǒng)等組成。

神光Ⅱ裝置大廳實(shí)景

前端分系統(tǒng)：前端激光分系統(tǒng)的主要功能是提供可整形的1 ns的較長脈沖與另一種0.1 ns的較短脈沖，作為工程總體兩種脈沖工作模式的種子源，并實(shí)現(xiàn)多路激光高精度同步控制。

預(yù)放大器分系統(tǒng)：主要功能是提供整個(gè)放大鏈路的大部分增益，實(shí)現(xiàn)信號(hào)脈沖能量108倍的放大，采用的是經(jīng)典的MOPA結(jié)構(gòu)。

主激光放大器分系統(tǒng)：主要功能是實(shí)現(xiàn)8~10倍能量增益, 提供全放大鏈路80%的激光能量。該分系統(tǒng)的主要特色包括：“四束合一”的新型列陣式光路構(gòu)型、國內(nèi)首次采用的多程放大構(gòu)型、8路主放大器輸出能量與波形平衡。

終端光學(xué)分系統(tǒng)：包含靶場(chǎng)系統(tǒng)、頻率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和傳輸聚焦組件三個(gè)主要的功能單元，適應(yīng)于激光驅(qū)動(dòng)器功能拓展，神光Ⅱ裝置在國內(nèi)首次設(shè)計(jì)并采用的雙靶室構(gòu)型，包括ICF靶室與XRL靶室，為其后研制的驅(qū)動(dòng)器終端靶場(chǎng)所普遍采用。

神光Ⅱ裝置研制在總體技術(shù)、單元技術(shù)以及元器件等方面實(shí)現(xiàn)了眾多創(chuàng)新，主要包括：在裝置前端及預(yù)放大階段，發(fā)展了損耗調(diào)制型單縱模激光振蕩器技術(shù)、全光纖集成波導(dǎo)前端、時(shí)空域調(diào)控技術(shù)以及功率平衡技術(shù)等；在主放大器中，發(fā)展了組合式同軸雙程放大器技術(shù)、飽和增益角變反射率鏡(AVM)調(diào)控技術(shù)、N31號(hào)新型釹玻璃及包邊技術(shù)、自準(zhǔn)直技術(shù)以及大口徑能量計(jì)等；在終端光學(xué)系統(tǒng)中，發(fā)展實(shí)施了雙靶場(chǎng)構(gòu)型、大口徑磷酸二氫鉀(KDP)晶體生長與加工技術(shù)、高閾值化學(xué)防潮減反膜、三倍頻功率平衡技術(shù)、凸柱面透鏡列陣線聚焦技術(shù)以及高精度靶定位技術(shù)等。

(a) ICF靶室; (b) XRL靶室

神光Ⅱ裝置研制水平與運(yùn)行成果

2004年完成神光Ⅱ裝置精密化工程, 在此之前國際上只有NOVA裝置和OMEGA裝置具備精密化的三倍頻運(yùn)行能力。

在光束質(zhì)量方面，實(shí)現(xiàn)基頻光聚焦70％能量（3.5DL，DL代表衍射極限），三倍頻聚焦95％能量（8DL），優(yōu)于OMEGA 裝置三倍頻聚焦95％能量（9DL）指標(biāo)。

在單路最高基頻輸出能力方面，神光Ⅱ裝置單路輸出能量為882 J，在相同通光面積條件下，與OMEGA裝置的1000 J單路輸出能量處于同一水平。

在近場(chǎng)填充因子（FF）方面，神光Ⅱ裝置的FF達(dá)到50％~60％，與當(dāng)時(shí)日本GekkoGX-Ⅱ裝置相當(dāng)。

在三倍頻運(yùn)行方面，神光Ⅱ裝置的轉(zhuǎn)換效率為60％(最高為67％)，超過當(dāng)時(shí)Gekko GX-Ⅱ裝置的30％~50％，與OMEGA裝置水平相當(dāng)。神光Ⅱ三倍頻平均功率密度為0.66 GW/cm2，最大為1 GW/cm2，均為當(dāng)時(shí)OMEGA裝置的1.28倍。

神光Ⅱ裝置建成以后，每年運(yùn)行發(fā)射1000次以上，主要分配在聚變物理研究、高功率激光技術(shù)與器件驗(yàn)證、國際合作開放實(shí)驗(yàn)研究三個(gè)方面。

神光Ⅱ裝置在2004年之前已提供正式物理實(shí)驗(yàn)打靶2025發(fā)次，2004-2017年累計(jì)提供物理實(shí)驗(yàn)打靶8390發(fā)次，平均成功率為91.7％。這些發(fā)次實(shí)驗(yàn)在腔靶物理、內(nèi)爆動(dòng)力學(xué)、輻射輸運(yùn)以及X射線激光等方面取得了大量有重要意義的成果。

經(jīng)過最近10年的不斷發(fā)展，高功率激光物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室形成了以神光Ⅱ裝置為核心的激光物理綜合平臺(tái)，并不斷拓展與加強(qiáng)該平臺(tái)的功能，增加了神光Ⅱ升級(jí)裝置、多功能高能激光系統(tǒng)、高能皮秒拍瓦激光系統(tǒng)以及超強(qiáng)飛秒5 PW激光系統(tǒng)等，具備了更完善的物理實(shí)驗(yàn)條件。其基本物理目標(biāo)是推動(dòng)我國ICF研究；其近中期目標(biāo)是在腔靶物理、內(nèi)爆動(dòng)力學(xué)、輻射輸運(yùn)、狀態(tài)方程和X射線激光等方面做出前沿探索，滿足基礎(chǔ)研究與國防安全建設(shè)需求；其遠(yuǎn)期目標(biāo)是為實(shí)現(xiàn)清潔聚變能源這一滿足人類未來能源需求的終極目標(biāo)做出貢獻(xiàn)。

文章來源：中國激光 朱健強(qiáng),陳紹和,鄭玉霞等