科學(xué)家們利用激光聚焦打擊各類材質(zhì)，以激發(fā)沖擊波、電磁輻射等，模擬研究核試驗(yàn)環(huán)境和條件；無(wú)輻射的聚變發(fā)電具有廣闊的應(yīng)用前景，可替代現(xiàn)有的核裂變發(fā)電，清潔安全，資源豐富?？梢哉f(shuō)，激光聚焦打靶是國(guó)防軍事實(shí)驗(yàn)以及遠(yuǎn)期民用聚變發(fā)電的重要驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。
靶“生活”的地方
什么是靶？
靶（target），顧名思義是目標(biāo)的打擊點(diǎn)，其打擊行為俗稱打靶。靶主要分為平面靶和腔靶兩類，平面靶的形態(tài)相對(duì)簡(jiǎn)單，一般是由某種材料制作成平面形態(tài)；腔靶即為激光注入打擊到某種柱腔或者球形腔中，其材料和結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。兩類靶型的尺寸一般都是mm量級(jí)，激光束聚焦打靶的光斑尺寸一般是百微米量級(jí)。
平面靶一般是由基底和膜構(gòu)成?；滓话闶悄撤N金屬（比如鋁、銅、鎢、金等），薄膜一般由氫原子構(gòu)成的化合物（比如CH膜等），通過(guò)打擊不同材料的平面靶，可以研究相關(guān)的沖擊波、等離子體噴射、X射線/伽馬射線等電磁輻射效應(yīng)。
而腔靶的腔內(nèi)靶丸為氚氘小球，腔體由原子序數(shù)較大的高Z材料制備而成（比如鎢、金、鉛等），腔壁則鍍有一些利于吸收和轉(zhuǎn)換激光能量的復(fù)合材料。類似圖（b）所示的柱腔靶尺寸一般為數(shù)mm量級(jí)，故其制備過(guò)程較為復(fù)雜和精細(xì)，通常由人工或機(jī)械臂在顯微放大鏡下操控制作而成。
圖（a）單束激光打擊平面靶；（b）多束激光多角度打擊柱腔靶。
靶“生活”的地方
由于常壓下大氣流體阻力太大、雜質(zhì)顆粒太多，所以靶通常“生活”在一個(gè)密閉的高真空環(huán)境，以獲得最佳的探測(cè)條件。最常見(jiàn)的方式是用一個(gè)類似金屬球體的結(jié)構(gòu)將靶點(diǎn)完全包住。
多年來(lái)，圍繞物理實(shí)驗(yàn)的變化發(fā)展，激光裝置的靶球形態(tài)、結(jié)構(gòu)和尺寸都有很大改變。90年代初，神光I是一個(gè)柱球形靶室（中間圓柱，兩側(cè)半圓），尺寸約1m；2000年初，神光II制作了一個(gè)更大的柱球形靶室和一個(gè)圓形靶室，尺寸擴(kuò)大約2m；2010年后，神光II升級(jí)裝置的圓形靶球接近3m。
雖然靶點(diǎn)很小，但考慮到聚焦前激光束口徑尺寸（通常200~400mm）、數(shù)十上百的激光束數(shù)量，以及各類探頭的安裝位置等因素，致使靶球形態(tài)、尺寸不斷改進(jìn)。
圖 左為神光I的柱球形靶室，右為神光II-升級(jí)的球形靶室。
那么問(wèn)題來(lái)了：這么小的靶怎么放置與固定呢？又是如何實(shí)現(xiàn)高真空環(huán)境呢？
我們制作了一套類似機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)稱為靶架，它能將靶固定在其特定支點(diǎn)上，并通過(guò)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)將該支點(diǎn)置于靶室中心（精度一般是頭發(fā)絲尺寸10~20?m量級(jí)）。
高真空環(huán)境，就類似日常生活中的抽真空包裝袋一樣，使用超大功率的抽真空機(jī)器，將靶室中的氣體抽走，一般達(dá)到10-3 Pa（常壓狀態(tài)為105 Pa）。抽真空技術(shù)，從神光I的分子泵到現(xiàn)在的冷泵，也有所進(jìn)化。
圖 靶架
激光束的導(dǎo)引
靶場(chǎng)是激光裝置系統(tǒng)末端，服務(wù)于打靶的場(chǎng)地。別看只有區(qū)區(qū)mm量級(jí)的目標(biāo)區(qū)域，為了將多束（通常約10~200束）激光從四面八方各個(gè)角度聚焦打擊到靶點(diǎn)上，需要很多的光學(xué)組件，很大的場(chǎng)地空間，才能達(dá)到實(shí)驗(yàn)打靶的目的。
一般到達(dá)靶場(chǎng)的多束激光是n條平行線排布的，為了從靶球上各個(gè)孔注入，需要將它們分別導(dǎo)引到不同角度，最終達(dá)到注入靶室的目標(biāo)。
實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)最簡(jiǎn)便的方法當(dāng)然是用鏡子啦！大家都知道光的鏡面反射原理，故我們根據(jù)入射角度要求，在每一束光的傳播路徑上適當(dāng)?shù)呐渲煤梅瓷溏R，就能將激光束導(dǎo)引好。
圖 裝配到位的反射鏡，箭頭為光束被鏡子反射前后的走向
問(wèn)題又來(lái)了：有些光束口徑比較大（比如300mm），那么此時(shí)反射鏡45度放置時(shí)，反射鏡尺寸做成300*300mm就夠了么？
顯然不夠，為了避免漏光，斜接觸的方向必然會(huì)要求長(zhǎng)一些。根據(jù)勾股定理，等腰直角三角形的斜邊與直角邊比值為：1，即反射鏡長(zhǎng)寬比為：1。
神光II升級(jí)裝置的靶場(chǎng)光路構(gòu)建原理也是如此，反射鏡被放置到圍繞靶球鋼架上的特定位置，缺一不可，整體在一起就形成了靶場(chǎng)區(qū)域，看起來(lái)是不是很高大上呢？
圖 神光II-升級(jí)靶場(chǎng)模型（橙色為激光束路徑）
激光束的控制和變換
能順利導(dǎo)引激光，對(duì)于打靶來(lái)說(shuō)只是第一步。眾所周知，激光器輸出的是偏向紅光或者紅外的長(zhǎng)波長(zhǎng)激光。但隨著實(shí)驗(yàn)的深入，我們發(fā)現(xiàn)紫光或者近紫外的短波激光更容易激發(fā)顯著的實(shí)驗(yàn)效果，甚至能達(dá)到聚變條件。因此在靶場(chǎng)，如何將1?m左右的長(zhǎng)波光轉(zhuǎn)換為0.3?m左右的短波光成為一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。
神光I輸出即為1w基頻激光（波長(zhǎng)約1.053?m），在X激光和ICF實(shí)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)下，逐漸在神光II裝置過(guò)渡到2w倍頻激光（波長(zhǎng)約0.527?m）。隨著ICF間接驅(qū)動(dòng)聚變需求的提升，使用3w紫外激光（波長(zhǎng)約0.351?m）打靶成為主流。這需要進(jìn)行“諧波轉(zhuǎn)換”，即采用晶體類材質(zhì)的元器件，將激光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)為短波。這是一種非線性過(guò)程，簡(jiǎn)單方程的示意描述如下：
從方程式可以看出，在激光裝置末端，能夠?qū)崿F(xiàn)倍頻和三倍頻功能的KDP晶體是關(guān)鍵。起先國(guó)內(nèi)無(wú)法將晶體生長(zhǎng)到光束口徑的300mm尺寸，隨著科研技術(shù)能力的提升，現(xiàn)在大口徑尺寸的KDP晶體已經(jīng)能很好的應(yīng)用于裝置中。
圖 激光波長(zhǎng)變換示意圖（最終輸出即為所需的三倍頻紫外激光）
另外，物理實(shí)驗(yàn)對(duì)聚焦到靶點(diǎn)的光斑尺寸和輪廓有著嚴(yán)苛的要求。很多時(shí)候，激光打靶要求有一定尺寸（如0.5mm左右尺寸）的均勻光斑，而經(jīng)過(guò)透鏡聚焦的焦斑一般不到0.05mm，因此需要光束控制技術(shù)（通常是插入一類光學(xué)元件，俗稱束勻滑元件）將聚焦光斑調(diào)控到所需要的尺寸。
20世紀(jì)90年代初，聯(lián)合室鄧錫銘院士提出的“蠅眼列陣透鏡技術(shù)”成功解決了這一問(wèn)題，它由一系列的小透鏡膠合而成，俗稱“上海方法”，為國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界所推崇。為了解決X激光實(shí)驗(yàn)中線聚焦問(wèn)題（需要將光斑變換為一條狹長(zhǎng)的細(xì)線），老一輩靶場(chǎng)組的課題組長(zhǎng)黃宏一、陳萬(wàn)年、王樹(shù)森等，采用類似蠅眼列陣透鏡的思路，開(kāi)發(fā)了由一些柱條形的透鏡膠合而成的柱面鏡子，為X激光物理實(shí)驗(yàn)開(kāi)拓了方向。直到現(xiàn)在，盡管更先進(jìn)的連續(xù)相位板已能實(shí)現(xiàn)更方便的光斑控制，但在某些實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，二者仍有良好的使用價(jià)值。
圖 左為蠅眼列陣透鏡；右為柱面透鏡
為了將光斑控制、諧波轉(zhuǎn)換、透鏡聚焦等多個(gè)功能集成在一起，我們使用了靶場(chǎng)集成終端光學(xué)組件（FOA）。
類似于單反相機(jī)的鏡頭組，將相關(guān)的7~8塊透過(guò)型光學(xué)元件集中“串”在一起，封閉在整套機(jī)械結(jié)構(gòu)中。下圖是多個(gè)FOA宏觀圖，它們與靶球結(jié)合在一起，可視為一個(gè)全副武裝的巨型機(jī)器人：心臟在靶點(diǎn)，軀干是靶球，肢體是FOA系統(tǒng)。
FOA的優(yōu)勢(shì)是集成模塊化后，方便組裝調(diào)試，整體環(huán)境可控。但是在高功率激光輻照下，多個(gè)面的剩余反射光對(duì)機(jī)械和光學(xué)元件的破壞逐漸呈現(xiàn)，這已成為FOA系統(tǒng)無(wú)法回避的技術(shù)難題。
圖 多個(gè)FOA掛載示意圖
激光聚焦打靶，凝聚了多代科學(xué)家的心血和努力。當(dāng)前，神光裝置的靶球最多是9束激光打靶，為了最大化聚焦打靶能量，以便接近理論聚變點(diǎn)火條件，一是增加激光路數(shù)，二是進(jìn)一步提高單束激光的能量，故新建一套192甚至更多束的超大型激光裝置已經(jīng)提上日程。對(duì)于靶場(chǎng)來(lái)說(shuō)，這將對(duì)靶球、反射鏡和FOA系統(tǒng)提出更高的要求。如何優(yōu)化配置FOA光路、提升光學(xué)元件性能、管控最好工作環(huán)境等，已然成為今后靶場(chǎng)需要攻克的重大技術(shù)難關(guān)。
轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
相關(guān)文章
熱門資訊
精彩導(dǎo)讀
關(guān)注我們
