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传承辟新 寻优勇进—高功率激光物理联合实验室成立30周年后记

星之球科技来源:中国激光2017-07-22我要评论(0)

纪念中国科学院、中国工程物理研究院高功率激光物理联合实验室成立三十周年,是为了回顾联合室的发展历程,展示联合室为我国高功率激光驱动器发展和ICF研究做出的重大贡...

纪念中国科学院、中国工程物理研究院高功率激光物理联合实验室成立三十周年,是为了回顾联合室的发展历程,展示联合室为我国高功率激光驱动器发展和ICF研究做出的重大贡献。半年多来,累计推出了12篇短文,涵盖了高功率激光驱动器的总体发展,激光驱动器各个单元技术的进展等,累计阅读量高达数万次,使得一项复杂的系统工程用科普的语言呈现给广大读者,让更多人能了解我国在该领域研究的国际地位和作用,激励优秀的青年科技工作者投身于这一伟大的事业中去。
激光聚变是一项挑战物理极限的科学探索工程,物理目标的实现要克服多因素耦合的不确定性,极具科学认知不确定性的挑战;提供物理实验的高功率激光驱动器在各项技术要求都接近光学极限的基础上,还要做到高效、高质量运行,也是风险和技术挑战并存。所以,从这个意义上来看,激光聚变的物理目标具有科学探索性,实现手段具有技术挑战性,综合因素又具有复杂关联性。
纵观全世界激光聚变研究五十多年的发展历程,可谓是屡战屡败,屡败屡战,而且一个轮回就是数年乃至更长,但全世界的科学家都没有放弃这一将改变人类文明史的科学目标。我们的时代是这一伟大事业的亲历者和实践者,要实现这个世纪科学大目标,开放联合是必然的,所以我在开篇就用了“知行合一,开放联合”的标题,来表达联合实验室内在的特质。
在联合实验室成立以前,我国的激光聚变研究分属几大研究实体。为了推进我国的激光聚变研究,王淦昌先生和王大珩先生在当时力排众议,打破了各个部门的体制机制的限制,在中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光研究室的基础上,成立了中国科学院和中国工程物理研究院共同管理的联合实验室,并创造性地成立了联合实验室管理委员会和学术委员会。
这些高屋建瓴的体制机制的顶层规划设计,有效地保障了联合实验室的快速发展,推动了我国激光聚变事业的跨越式进步。联合实验室三十年的不断发展,从一个侧面佐证了开放联合的重要性,只有做到开放联合,才能保障在重大科研攻关计划中,组织一流的人才,集智攻关。两位王老三十年前倡导的开放联合精神,当今仍然有重要的现实意义。
王大珩、王淦昌、邓锡铭院士和朱健强研究员(从左往右)
纵观联合实验室三十年的发展,可以看到非常清晰的发展脉络,以技术发展推动装置研制,已经形成了国际上最为综合的激光驱动器组合实验平台:数万焦耳级的纳秒激光实验平台,皮秒拍瓦激光实验平台,飞秒数拍瓦实验平台。利用这些实验平台,每年都能产生若干世界级的科研成果,极大提升了我国在该领域的国际影响力。
在激光技术发展中,三十年来,联合实验室不断推陈出新,引领了技术进步。在激光驱动器总体设计方面,发展了LaserDesignr程序,用于激光放大链路的设计分析,先后完成了多功能激光装置,神光升级装置等;
神光驱动器升级装置
在精密测控方面,实现了高速光束自动准直,大口径能量测量,以及集总测控等;
神光综合装置总控制室
在激光工程方面,发展了光传输时空矩阵光学理论,对于光束的随机抖动实现了精密控制,较原先的控制精度提高了数倍,确保了拍瓦激光装置的综合性能。
在高功率激光驱动器的种子源——前端,利用高速光通信技术和器件,发展了基于集成波导的激光前端,实现了激光种子脉冲时空可精密调控的全域控制,性能指标达到了世界先进水平;
图 新一代集成化前端系统
在激光驱动器的主干——激光传输放大中,实现了大口径电光开关四通放大技术,在350mm口径的放大器中,实现了17.5kJ的基频能量输出,且光束质量和能通量都达到国际水平,发展完善了放大器的抽运耦合技术,为后续的发展需求奠定了技术基础;
图 神光II装置多功能光束350mm口径2-disk片放大器
在激光靶场,不断探索激光三倍频损伤难题,实现了3.5—5J/cm2的通量输出,基本理清了激光三倍频损伤的成因和控制措施;
图(a)单束激光打击平面靶;(b)多束激光多角度打击柱腔靶
利用孔径(波前)编码技术,实现了激光光束的复振幅测量,为激光参数的综合测试的统一化奠定了基础。
图 CMI法波前测量实物图
同时,值得一提的是在化学镀膜方面,联合实验室在国内率先实现了增透膜的涂制,并给用户无偿提供了全套技术,实践了开放联合的宗旨。
联合室化学涂膜组参加测试样品为溶胶-凝胶多孔性SiO2减反膜(Sol-gel SiO2 Dip Coating),涂膜基片为康宁熔石英7980,直径为50mm,厚为10mm。比赛结果中联合室化学膜破坏阈值最高(左图最右红色)。
联合实验室三十年的发展,实际上是我国激光聚变事业几代人的工作积累。王大珩先生曾在联合实验室管委会上多次提及联合实验室的发展要做到:“传承辟新,寻优勇进”。我把王老的这句谆谆教诲作为文章的标题,一方面想告慰王老,联合实验室的科研人员几十年来都是这么做的;另外一方面,也是提醒自己,在未来的发展征程上,这种精神还是要继续发扬的。激光聚变研究的历史也向这一领域的科研工作者呈现了这一特质。
如何能在新时期做到、做好“传承辟新,寻优勇进”?早至2012年,美国聚变点火遇到的问题已初露端倪,我们已经意识到新一轮凸显的问题就在眼前。学术研讨是科学认知的基础,能否在该领域创办一本英文刊物,全方面地开展学术交流和技术探讨?
在中国科学院和中国科学技术协会的大力支持下,我们和英国剑桥大学出版社合作,创办了“High Power Laser Science and Engineering”一刊,今年四月份该刊被SCIE全文收录。从2014年起,我们还组织举办了以“High Power Laser Science and Engineering”期刊冠名的国际学术会议,来研讨激光聚变点火的学术问题。首次会议上,一些专家就对美国的激光聚变点火所需要的激光能量提出了质疑,这些面对面的交流,了解到了一般文献中读不到的信息,这对像激光聚变点火这类科研探索工程至关重要。


在激光聚变发展的历史中,美国自始至终引领了发展。在一定的参照系下开展研究,补短板的体系发展是常态。但如今,美国人面对激光聚变点火,也是一筹莫展,那该如何做?这是对我们研究能力和技术判断能力的考验。有一点是肯定的,完全照搬美国人现有的技术,是无法实现聚变点火的。
所以,本文的结尾是一个问题,答案在若干年后。届时我再撰文告知大家我们是如何做的。 (作者:高功率激光物理联合实验室主任 朱健强研究员)

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