高功率激光输出能力实现跨越离不开激光技术与材料器件探索创新
高功率激光输出能力实现跨越离不开激光技术与材料器件探索创新
导读：高功率激光技术是实现可控核聚变的关键之一。中国科学院上海光机所孙明营研究员在"尚光学术沙龙"上，详细介绍了高功率激光装置的发展历程、关键技术突破以及未来研究方向。本文将带你深入了解这一前沿科技领域的重要进展。
更高功率，更严苛的要求
作为未来能源问题的"曙光"，可控核聚变因具有资源丰富、操作安全以及环境友好等特点而受到重点关注；而以激光驱动聚变技术为代表的惯性约束聚变 (ICF)，则一直是学界研究的热点。自诞生以来，激光器的输出水平就在不断上升，而利用高功率激光引发聚变反应的猜想也被很快证实。在一代代物理学家的不懈努力下，基于高功率激光的ICF研究已取得了多项突破性的进展。从技术细节上讲，目前主流的点火方式仍然是中心点火，它包含直接驱动和间接驱动两种点火技术，二者最本质的区别在于：直接驱动激光直接辐照靶丸，而间距驱动激光转换为高能X光再辐射靶丸的过程。但无论是哪种点火方式，对于驱动激光的要求都是极其严苛的。
目前国际上最大的激光点火装置，仍然是美国国家点火装置 (NIF)，该装置由192束纳秒激光组成，单脉冲能量为1.8 MJ；其于2022年12月率先实现"点火"目标，至2024年2月，已成功进行了5次点火实验。在20世纪80年代，NIF装置实现激光ICF的技术路径由红外激光转为紫外激光驱动，由于紫外激光的光子能量较高，因此光学元件激光损伤机制发生了根本性的转变，损伤控制更具挑战，而紫外激光损伤将影响装置输出能力和运行可靠性，因此，NIF目前的工作目标是不断优化和提升能量输出水平，向更高效、更稳定的聚变点火目标迈进。
图1 美国NIF装置发展概述
近年来，上海光机所在聚变点火领域所做的很多工作，其技术指标是直接对标NIF装置，且部分指标处于国际领先水平。从神光 Ⅰ的近红外激光打靶到神光 Ⅱ的三倍频紫外激光打靶，我国的驱动激光也经历了多轮技术发展和装置升级。今年，我们完成了神光Ⅱ升级装置新一轮改造，提升了基频激光单束输出能力，在靶场将驱动激光路数由8路提升至16路，最终使紫外激光能量输出水平增长至原来的2倍，这将为以双锥对撞聚变实验为代表的一系列物理实验提供国际一流的实验平台。目前，我们的重点研究对象是双锥对撞聚变(DCI) 装置，研究目标是：160kJ三倍频激光（输出能量是目前装置的三倍）。
图2 神光系列装置发展历程
纵观神光系列装置发展过程，路数和总能量一直是我们提升的指标，但归根结底，这些指标仍然受到单路输出水平的限制；具体地，靶场使用的晶体、靶镜以及压缩光栅等，都是十分昂贵且容易损伤的关键元件，而光学元件的激光损伤，与激光系统内部的能量密度及功率密度均有关系。近年来，我们一直致力于技术创新研究，从装置总体层面解决激光损伤问题，提升高功率装置输出能力。
激光装置负载能力的提升，需从机理认知及技术创新处入手
对于激光装置而言，因激光辐照而产生的元器件损伤将降低装置负载能力，负载能力定义是指：装置在一定通量下，工作一定发次的能力。对于以石英为代表的脆性材料来说，一旦出现微小的损伤裂纹，哪怕只有微米量级，都会对后续打靶的能量及发次产生不可估量的影响；在当下，三倍频紫外激光损伤，仍然是一个国际性的技术难题。美国NIF无法规避紫外元件损伤，只能采用损坏后修复替换的循环策略进行运行维护。而我们则围绕真空窗口+三倍频低真空氛围的纳秒终端光学组件构型，开展了激光装置三倍频激光负载能力的研究；针对三倍频紫外激光损伤瓶颈问题，联合室自2014年起就开展了三倍频激光负载关键技术研究，其目标是将能量密度提升至8 J/cm2@351 nm。
图3 惯性约束聚变驱动激光单束输出能力发展历程
通过对元件紫外损伤规律和机理分析，晶体和石英元件的激光损伤是主要挑战。我们发现，晶体损伤一般分为三类：晶体内成丝损伤、晶体体内针点损伤以及晶体表面损伤。三种损伤的成因不同，前一种是由于基频光自聚焦所致，后两种分别与晶体生长引入杂质缺陷、表面加工缺陷有关，目前我所在晶体生长和加工已取得重要技术进展。尽管晶体出现损伤，但损伤增长速率较小，而对装置负载影响最严重是打靶透镜和取样光栅的石英元件损伤。由于目前装置使用的靶镜非常厚（约100 mm），其能够引发的非线性效应很强，很容易因激光自聚焦成丝而导致体内损伤和严重的表面损伤。根据以上规律和物理机理分析，我们凝练出关键科学问题：紫外激光功率密度过强（>2.0 GW/cm2）引起的非线性效应，并锁定了激光传输增强、光学元件缺陷及在线污染等三大技术问题。
针对上述三大技术问题，在多年的研究过程中，我们创造性地提出了：
1）激光非线性传输增强抑制技术：通过终端光学系统优化设计、相位型缺陷控制以及元件波前中高频控制等技术手段，有效地抑制了非线性传输导致近场增强程度，大幅度地抑制了了元器件体内的损伤问题。
2）针对终端组件内部污染问题，我们探究了低通量激光辐照材料表面产生颗粒物的机理，并开创了新型颗粒污染物控制技术，将颗粒物数量降低了2个数量级；
3）基于兆声波HF刻蚀工艺优化、超短脉冲序列缺陷预处理等技术手段，成功实现了对石英元件的亚表面缺陷去除技术，大大提升了元件表面抗紫外激光损伤的性能，显著减弱了元件表面损伤问题。
在集成了以上所有优势实验技术后，我们在神光Ⅱ升级装置聚变级A构型单路系统中，完成了100多发次纳秒终端高通量集成实验研究，最终验证了激光系统在纳秒三倍频通量6~8 J/cm****2下，稳定运行的输出能力：三倍频负载能力的技术攻关成果达到了国际同等水平。
分光负载策略+精准控制思路：让装置长期稳定运行的“法宝”
针对张杰院士领导的双锥物理实验需求，我们对装置三倍频负载的策略进行了研究，目标是每年全能量数百发次运行。在激光装置总体设计层面，我们提出了基频分光负载策略，即：将1路高通量基频光分束获得2束中等通量的三倍频激光，进而能够大大降低三倍频元件负载压力。基于该负载策略，我们彻底解决了基频输出能力与三倍频负载能力之间的矛盾，同时实现基频激光和三倍频激光长期全通量运行，提高了装置总体效率，降低运行的实际成本。
图4 基频分光负载策略示意图
此外，我们也在中国科学院先导项目支持下，完成了对核心元器件高通量的实验验证工作，解决了核心元件可用性的问题。我们将装置三倍频负载策略应用于神光Ⅱ升级装置综合靶场性能提升和双锥装置研制中，最终能够为物理实验每年提供数百发次的全能量三倍频激光打靶。对于装置总体控制思路而言，我们主要从终端系统兼容性设计、激光近场动态控制、元件性能精准管控以及运行维护精密化等四个方面来考虑。通过装置负载策略和总体控制思路的结合，能够保证装置较长时间的稳定运行。
图5 高功率激光装置负载总体控制思路
激光输出极限面临挑战，亟需激光技术和光学器件创新突破
目前，针对激光装置负载能力的研究已取得不少进展，但激光输出极限仍面临着艰巨挑战：首先，ICF驱动器光束近场功率密度发展受到一定限制，对于激光系统而言，从元件厚度与极限功率密度的乘积角度，我们与NIF装置目前面临的局面大致相同；其次，三倍频激光如何跨越功率受限拐点，实现更高强度紫外激光输出，这一点仍然亟需技术上的突破。为了抑制靶场元件的峰值功率密度水平，新型激光技术突破方向包括纳秒激光时域压缩、大口径光场时空调控、三倍频激光主动近场滤波、高阈值色分离、单次紫外相位控制等。从光学元器件的角度，潜在突破方向包括超薄聚焦元件、超薄真空窗口、低非线性系数材料、高阈值新型多层光学膜层、零缺陷光学表面等。总的来说，我们亟需对新型激光技术和光学材料进行协同创新深入探究，从基础上提升高功率激光装置输出的极限水平，形成我国在高功率激光领域的技术优势。
同时，在后点火时代，面向聚变能源的重频激光装置负载能力更具挑战，无损伤运行是基础，材料疲劳控制是关键，需探索出重频激光构型和与之对应的材料体系。通过将激光技术和材料器件两个方面结合起来，共同探索ICF驱动器领域的学术边界。