神光Ⅱ裝置

是當前我國規模最大、國際上為數不多的高性能高功率釹玻璃雷射裝置。它在規模上處於世界上正在運行的同類裝置的第四位，2000年運行以來性能穩定，光束質量及運行輸出指標要求已與當今國際高水平的大型雷射驅動器光束輸出質量水平相當，具備了高水平運行的綜合技術能力。該裝置上進行的物理實驗已取得一系列階段性重大成果，其中慣性約束聚變直接驅動打靶，獲得單發4×10^9中子，是國際同類裝置獲中子產額的最好水平,為我國慣性約束聚變研究做出了重大貢獻。神光Ⅱ為我國慣性約束聚變、X光雷射、材料在極高壓狀態下的參數測量等前沿領域開展科學研究提供不可替代實驗手段，是該領域的重要實驗平台。

基本介紹

• 中文名：神光Ⅱ裝置
• 建造時間：20世紀90年代
• 特點：高性能高功率
• 性質：釹玻璃雷射裝置
• 套用領域：X光雷射等

背景

人類的能源從根本上說來自核聚變反應，即發生在太陽上的“輕核聚變”。人類已經在地球上實現了不可控的熱核反應，即氫彈爆炸。要獲得取之不盡的新能源，必須使這一反應在可控條件下持續地進行。為實現這一理想，科學家們用托卡馬克裝置開展“磁約束聚變”的研究。另一條技術路線於20世紀60年代初提出。它的基本原理是把強大的雷射束聚焦到熱核材料製成的微型靶丸上，在瞬間產生極高的高溫和極大的壓力，被高度壓縮的稠密電漿在擴散之前，即完成全部核反應，這就是“慣性約束聚變”（ICF）。一些國家的實驗室已經在這類雷射裝置上作了大量的基礎研究工作。美國、法國等已著手建造更大規模的巨型雷射器，期望實現雷射熱核“點火”。

意義

它的建成並投入運行，標誌著我國大型強雷射和雷射核聚變研究跨上一個新台階，躋身於世界前五強，對提高綜合國力具有重要意義。超強超短雷射技術，是在1000萬億分之幾秒的超短瞬間，產生相當於全世界電網數倍功率的超強雷射，這是20世紀90年代以來強雷射技術伴隨著現代科學發展產生的一項尖端高新技術。這項高新技術，可以揭示物質和化學反應過程中快速演變的科學奧秘，同時也可以模擬出只有在天體或核爆炸過程中才可能有的高壓、高溫、高密度的極端物理條件。更具有重大科學意義的是，開拓了雷射和物質相互作用的新理論、新方法，開創了強場物理這一新的物理學發展方向，直接推動了雷射與生命科學、材料學、信息科學等前沿交叉領域的學科發展。

神光II階段性成果的推廣套用不僅為即將建造的下一代雷射裝置提供極為寶貴的科學技術經驗，而且帶動了我國材料科學 （雷射玻璃、雷射晶體、非線性晶體）、精密光學加工與檢驗（λ/10高平面度、低粗糙度、大口徑光學元件研磨技術、金剛石車床飛刀切削大口徑KDP晶體技術）、介質膜和化學膜層技術、高質量大口徑氙燈工藝、精密機械和裝校工藝及高壓電能源系統、快速電子學、控制電子學、二元光學技術等相關學科或技術的跨越式發展。而這些相關學科技術在國民經濟中的套用前景將是相當可觀的。神光系列裝置研究的最終目標是實現雷射受控熱核聚變“點火”。

神光II裝置經過幾次改進升級，具備了更高水平運行的綜合技術能力，其多功能高能雷射系統(簡稱第9路) 2008年通過驗收，能提供國內同類裝置中最大雷射通量，在慣性約束聚變研究中發揮特殊的重要作用，標誌了我國大型強雷射和雷射核聚變研究跨上一個新台階，躋身於世界前五強，對提高綜合國力具有重要意義。

工程進展

1964年，王淦昌提出了研究雷射聚變的倡議。上海光機所1965年開始用高功率釹玻璃雷射產生雷射聚變的研究。

1973年5月，上海光機所建成兩台功率達到萬兆瓦級的高功率釹玻璃行波放大雷射系統，先後對固體氘和氘化鋰進行了一系列打靶實驗。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。冷凍氘靶獲103中子產額。這項突破性成果，表明我國成功地實現了雷射產生高溫高密度的電漿，是我國雷射核聚變研究的一個里程碑，標誌著我國在該領域的研究邁入世界先進國家的行列。

1974年，上海光機所研製成功毫微秒10萬兆瓦級6路高功率釹玻璃雷射系統，雷射輸出功率提高了10倍，中子產額增加了一個量級。

1977年，上海光機所利用6束雷射系統裝置（1011瓦），對充氣玻殼靶照射獲得了近百倍的體壓縮。使我國的雷射聚變研究進入了逐級論證向心聚爆原理的重要發展階段，為以後長期的持續發展奠定了基礎。

1980年，王淦昌提出建造脈衝功率為1012瓦固體雷射裝置的建議，稱為雷射12號實驗裝置。

1985年7月，雷射12號裝置按時建成並投入試運行。試運行中成功地進行了三輪雷射打靶試驗，取得了很有價值的結果，達到了預期目標。該裝置是中國規模最大的高功率釹玻璃雷射裝置，在國際上也為數不多。它由雷射器系統、靶場系統、測量診斷系統和實驗環境工程系統組成。輸出雷射總功率達1012瓦量級，即1萬億瓦；而雷射時間只有一秒鐘的十億分之一到百億分之一。可用透鏡聚焦到50毫微米的尺寸上，能產生1017 瓦/厘米2的功率密度。將這樣的光束聚焦在物質的表面，可以產生千萬度的高溫，並由此產生強大的衝擊波和反衝擊壓力。該裝置的高精度靶場系統，能適應0.1毫米量級的微球靶、黑洞靶、台階靶、各類X光靶等多種靶型的實驗需要，並具有單束、雙束及兩路並束雷射打靶的功能，為進行雷射核聚變新能源研究及其他多種物理研究得供了重要實驗手段。

1986年夏天，張愛萍將軍為雷射12號實驗裝置親筆題詞“神光”。於是，該裝置正式命名為神光I。（右圖為神光I的主放大系統）

神光I的主放大系統

1987年6月27日，神光I通過了國家級鑑定。 專家們一致認為：裝置的綜合總體技術性能，達到了國際同類裝置的先進水平。神光I的建成，標誌著我國已成為國際高功率雷射領域中具有這種綜合研製能力的少數幾個國家之一，是我國雷射技術發展中的一項重大成就。在該裝置上先後進行了直接驅動和間接驅動熱核聚變實驗，標誌著我國在該領域進入世界先進行列。

1989年起，神光I直接驅動獲5×106中子產額，間接驅動獲104中子產額，衝擊波壓強達0.8TPa，獲近衍射極限類氖鍺X光雷射增益飽和。

1990年，神光I獲得國家科技進步獎一等獎.

1993年，國家“863”計畫確立了慣性約束聚變主題，進一步推動了國家慣性約束聚變研究和高功率雷射技術的發展。

1994年，神光I退役。神光I連續運行8年，在ICF和X射線雷射等前沿領域取得了一批國際一流水平的物理成果。

1994年5月18日，神光Ⅱ裝置立項，工程正式啟動。

2000年，神光Ⅱ裝置8路基頻達標（8×1012瓦），開始試運行打靶。

2000年起，直接驅動獲4×109中子產額，間接驅動獲108中子產額 ，直接驅動衝擊波壓強達1.5TPa，間接驅動衝擊波壓強達3.7TPa，獲增益飽和類鎳銀和高強度類鎳鉭X光雷射輸出。

2001年8月，神光Ⅱ裝置建成，總輸出能量達到6千焦耳/納秒，或8太瓦/100皮秒，總體性能達到國際同類裝置的先進水平。（左圖為神光Ⅱ的主放大系統）

神光Ⅱ的主放大系統

2001年，神光Ⅱ三倍頻達標 ，圓滿完成兩輪三倍頻試打靶物理實驗。

2001年12月底，神光Ⅱ通過了鑑定與驗收。

2002年，神光Ⅱ獲上海市科技進步獎一等獎，併入選2002年中國十大科技進展。

2003年，神光Ⅱ獲中國科學院傑出科技成就獎。

2005年，神光Ⅱ獲國家科技進步獎二等獎。

2006年4月13日，用於神光Ⅱ的固體雷射器的泵浦光源獲得第九屆中國專利金獎，它新添的第9束雷射輸出能量打破紀錄，較此前提高了5.8倍，離為核聚變“點火”更近一步。

2006年，神光Ⅱ自投入運行以來高效率、高質量“打靶”已達3000餘發，日韓等國科學家慕名前來合作實驗。神光Ⅱ能同步發射8束雷射，在約150米的光程內逐級放大：每束雷射的口徑能從5毫米擴為近240毫米，輸出能量從幾 十個微焦耳增至750焦耳/束。在雷射靶區，強光束可在十億分之一秒內輻照充滿熱核燃料氣體的玻璃球殼，急速壓縮燃料氣體，使它瞬間達到極高的密度和溫度，從而引發熱核聚變。神光Ⅱ已實現“全光路自動準值定位”，實驗中能及時糾正因震動和溫度變化而帶來的儀器微偏，使輸出雷射經聚焦後可精確穿過一個約0.3毫米的小孔，僅比一根頭髮絲略粗一點。新運行的“神光Ⅱ”第9路光束口徑，由前8路的每束190毫米增至310毫米，單路能量輸出達5100焦耳，為進一步升級奠定了堅實基礎。 神光Ⅱ實現了國內雷射核聚變驅動器技術跨入國際先進行列的質的提升，將為實現我國雷射核聚變點火工程作更大貢獻。

2006年6月1日，863專家組組織有關專家在上海光機所對“神光II多功能高能雷射系統（第9路）”項目進行了階段驗收。專家們認為：該項目的技術指標均已達到契約規定的指標。文檔資料基本齊全，格式規範，符合要求；經費使用基本合理、符合有關管理規定，同意該項目通過“十五”階段驗收。

2006年12月24日，神光Ⅱ精密化技術研究項目通過了“863”專題專家組驗收。專家們認為：該項目自1996年立項以來，針對神光Ⅱ裝置的特點，在角變調控鏡功率平衡調控技術、三級能量波形監測和三參數綜合調控地新技術、三倍頻晶體光軸高精度匹配及偏光方向匹配新調試方法等方面做出了具有創新性的工作，使我國雷射驅動器在雷射功率平衡、雷射打靶落點精度、準方波脈衝輸出控制等三個精密化核心技術環節方面取得了實質性的突破，已達到了國際同類技術的先進水平。
2007年9月29日，神光Ⅱ升級工程初步設計通過評審（右圖）。評審專家組認為該工程初設充分考慮了裝置升級的主要目的，原則上可行，項目提出的經費預算基本合理，同意工程初步設計通過評審。專家組建議進一步最佳化工程設計，充分重視關鍵技術問題，進一步完善經費預算，加強節點控制，規避風險。

神光Ⅱ升級工程初步設計通過評審

2008年3月18日，上海光機所和德國慕尼黑國際博覽集團聯合主辦、光學期刊聯合編輯部承辦的光學前沿——2008’雷射技術論壇暨“2007中國光學重要成果”發布會在上海召開。國家科技部副部長、中國光學學會副理事長曹健林，中國光學學會理事長周炳琨院士等專家出席了本次論壇，作為大會副主席，中科院上海光機所所長、聯合實驗室主任朱健強致歡迎詞。

2008年10月25日，“神光II多功能高能雷射系統”(簡稱第9路)通過驗收。驗收委員會由中國科學院、中國工程物理研究院、國家高科技863計畫專題組聯合組成。驗收會由高功率雷射物理聯合實驗室管委會主任陰和俊、副主任張維岩和孫錦山主持，中科院副院長江綿恆、中物院高級科技顧問朱祖良、中科院副院長陰和俊、中物院于敏院士、胡仁宇院士、賀賢土院士、上海交通大學張傑院士、李家明院士等到會。驗收委員會聽取了技術和工作總結報告，監理組的監理工作報告，驗收測試組的測試報告以及項目經費審查報告、項目文檔資料審查報告和用戶使用報告。經過審議和討論，驗收委員會認為：該項目2002年10月正式立項，2004年實現了全光路通光和總體雷射發射。2006年，除大光斑均勻照明的直接測量外，其餘各項指標均達到了契約規定的要求。

光學前沿發布會

2008年上半年進行了大光斑均勻照明直接測量，表明第9路已完成契約規定的各項技術指標要求。自2005年初，第9路開始提供打靶試運行，迄今已經單獨或與其它8路雷射一起累計打靶發射一千餘次，成功率達到80%。研製過程中採用了自主研發的若干單元技術和先進元器件，綜合了多年發展高功率雷射裝置的理念，短時間內完成了高性能的雷射系統，為物理實驗提供了重要保障。項目經費使用合理，文檔資料齊全規範。驗收委員會一致同意通過驗收。第9路輸出雷射作為探針光或高壓衝擊波的驅動源，在內爆壓縮、流體界面不穩定性、不透明度、材料高壓狀態方程、實驗天體物理學、X射線雷射及其套用等各類物理實驗中，發揮了重要的作用。

2009年3月中旬至4月初 ，高功率雷射物理國家實驗室倍頻課題組在神光II裝置第九路上進行了“I+II類”KDP晶體實現三倍頻雷射輸出的實驗。實驗除了驗證I 類晶體的調諧特性和系統控制精度對三倍頻轉換效率的影響外，最主要還是要驗證大口徑（大於300毫米）KDP晶體在中高通量運行（~3.5J/cm2, 3ns，3ω）情況下SRS現象，從而保證KDP晶體的安全運行。

2009年6月，高功率雷射物理國家實驗室測量課題組經過近兩年的努力，按期完成了大口徑方形能量計的研製任務（左圖）。此次研製完成的大口徑方形能量計測量口徑達420毫米×420毫米，適用基頻、二倍頻、三倍頻三個波段，靈敏度大於50μv/J，面均勻性優於±1.8%，在穩定性、信噪比、面回響均勻性這三個雷射能量計的主要技術指標都做到了較高的實用水平。這是課題組繼成功研製口徑為20毫米、50毫米、100毫米、300毫米、400毫米的能量計之後，又一次出色完成了大口徑方形能量計的研製。研製過程中，不僅形成了一套方形、大口徑雷射能量計設計方法和製作工藝，而且大大豐富了實際的研製經驗，為今後研製更大口徑的能量計打下了堅實的基礎。

2011年1月24日，中科院計畫財務局組織專家對神光II裝置承擔的“空調系統更新”、“能源系統改造”和“靶場系統改造”三個重大維修改造項目進行驗收。

建設內容

神光Ⅱ建在位於上海嘉定的上海光機所（右圖），總占地面積約3000平方米。

神光Ⅱ由雷射器系統、雷射光路自動準直系統、雷射精密靶場系統、雷射參數測量系統、雷射儲能供電系統（右下圖）、環境保障及精密超淨裝校系統六個部分組成，是數百台套的各類雷射單元或組件的集成，並在空間排布成8路雷射放大鏈，每路雷射放大鏈終端輸出雷射淨口徑φ230mm，具有兩種脈寬：1ns、100ps，3種波長：1.053μm、0.53μm、0.35μm的輸出能力，該裝置終端輸出能量達到6KJ/1ns/1.053μm。高功率雷射驅動器的科學技術水平最重要的是高雷射質量、耐用性、穩定性、可靠性，以及驅動器雷射運行輸出極高的重複精度。

技術成就

神光Ⅱ獨立自主地解決了一系列技術難題，創新集成了 多項單元新技術。

主要包括：

創新設計並研製成功無開關同軸雙程片狀主放大器，在國際上首次投入運行。

在同軸雙程主放中創新開拓的帶濾波孔小園屏技術，解決了主放大器輸出能力問題。

首創調Q型損耗調製單縱模雷射振盪器核心新技術，在神光Ⅱ運行中獲得國際同行矚目的高穩定輸出。

創新型高穩定性冷陰極閘流管控制的時空變換雷射脈衝整形技術。

為解決雷射靶精密瞄準問題獨立發明的基頻和三倍頻嚴格同軸的高精度ICF靶場模擬光技術。

解決高均勻度線聚焦的凸柱面透鏡列陣創新設計工作。

最新開拓的高雷射破壞閾值介質膜平頂超高斯鋸齒軟邊光欄技術。

化學法製做有特色的高雷射破壞閾值三倍頻晶體表面防潮增透膜技術。

高效快速自動準直技術，解決了雷射裝置全系統高精度自動準直、瞄準的關鍵等。

技術水平

神光Ⅱ的總體技術水平已達到當前世界同類裝置前沿水平。

主要表現在：

基頻單束雷射運行輸出能量與美國OMEGA相當。

雷射輸出光束質量達到國際同類裝置同等技術參數水平，與美國OMEGA技術指標相當。裝置輸出雷射的通量、等效可聚焦功率密度和時空信噪比都達到了國際先進水平。為物理實驗提供了高效的實驗平台 。

標誌雷射驅動器設計和光束調控水平的雷射光束近場填充因子達到約50%，與日本Gekko-XII水平相當,尚低於美國OMEGA裝置 的75%。

三倍頻雷射輸出以日常運行約60%的雷射外轉換效率和高穩定輸出超過日本Gekko-XII。與美國OMEGA裝置最高75%內轉換效率相近。

採用新技術路線和有特色的CCD並行圖像處理技術，約30分鐘即可實現全系統光路自動準直高精度調整，有效提高了光路自動準直工作效率，總體技術水平高於日本Gekko-XII光路自動準直調整過程。