--慣性約束核聚變激光驅動裝置
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工程總投資：-
工程期限：1980年--2030年
"激光"一詞是"LASER"的意譯。LASER原是Light amplification by stimulated emissi on of radiation取字頭組合而成的專門名詞，在我國曾被翻譯成"萊塞"、"光激射器" 、"光受激輻射放大器"等。1964年，錢學森院士提議取名為"激光"，既反映了"受激輻射"的科學內涵，又表明它是一種很強烈的新光源，貼切、傳神而又簡潔，得到我國科學界的一致認同並沿用至今。
世界第一台激光器問世是在1960年6月,中國第一台激光器是在1961年9月。從1961年中國第一台激光器宣布研製成功至今，我國形成了門類齊全、水平先進、應用廣泛的激光科技領域，並在產業化上取得可喜進步，可以說，在起步階段我國的激光技術發展迅速，無論是數量還是質量，都和當時國際水平接近，一項創新性技術能夠如此迅速趕上世界先進行列，在我國近代科技發展史上並不多見。這些成績的取得，尤其是能夠把物理設想、技術方案順利地轉化成實際激光器件，主要得力於我國多年來在技術光學、精密機械和電子技術方麵積累的綜合能力和堅實基礎。
我國早期激光技術的發展
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1957年，王大珩等在長春建立了我國第一所光學專業研究所--中國科學院長春光學精密儀器機械研究所（簡稱"長春光機所"）。在老一輩專家帶領下，一批青年科技工作者迅速成長，鄧錫銘是其中的突出代表。早在1958年美國物理學家肖洛、湯斯關於激光原理的著名論文發表不久，他便積極倡導開展這項新技術研究，在短時間內凝聚了富有創新精神的中青年研究隊伍，提出了大量提高光源亮度、單位色性、相幹性的設想和實驗方案。1960年世界第一台激光器問世。1961年夏，在王之江主持下，我國第一台紅寶石激光器研製成功。此後短短幾年內，激光技術迅速發展，產生了一批先進成果。各種類型的固體、氣體、半導體和化學激光器相繼研製成功。在基礎研究和關鍵技術方麵、一係列新概念、新方法和新技術（如腔的Q突變及轉鏡調Q、行波放大、錸係離子的利用、自由電子振蕩輻射等）紛紛提出並獲得實施，其中不少具有獨創性。
同時，作為具有高亮度、高方向性、高質量等優異特性的新光源，激光很快應用於各技術領域，顯示出強大的生命力和競爭力。通信方麵，1964年9月用激光演示傳送電視圖像，1964年11月實現3～30公裏的通話。工業方麵，1965年5月激光打孔機成功地用於拉絲模打孔生產，獲得顯著經濟效益。醫學方麵，1965年6月激光視網膜焊接器進行了動物和臨床實驗。國防方麵，1965年12月研製成功激光漫反射測距機（精度為10米/10公裏），1966年4月研製出遙控脈衝激光多普勒測速儀。
我國各類激光器的"第一台"?
第一台固體紅寶石激光器 1961年9月 王之江等
第一台He-Ne激光器 1963年7月 鄧錫銘等
第一台摻釹玻璃激光器 1963年6月 幹福熹等
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第一台GaAs同質結半導體激光器 1963年12月 王守武等
第一台脈衝Ar+激光器 1964年10月 萬重怡等
第一台CO2分子激光器 1965年9月 王潤文等
第一台CH3I化學激光器 1966年3月 鄧錫銘等
第一台YAG激光器 1966年7月 屈乾華等
激光技術的發展
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中國激光科技從一開始就得到了國家的高度重視。1964年，中國科學院上海光學精密機械研究所（簡稱"上海光機所"）成立。1964年國家啟動"6403"高能釹玻璃激光係統，建成了具有工程規模的大口徑（120毫米）振蕩-放大型激光係統，最大輸出能量達32萬焦耳；改善光束質量後達3萬焦耳。成功地進行了打靶實驗，室內10米處擊穿80毫米鋁靶，室外2公裏距離擊穿0.2毫米鋁耙，並係統地研究了強激光輻射的生物效應和材料破壞機理。最後從技術上判定熱效應是根本性技術障礙，於1976年下馬。這一項目使我國激光技術科研水平上了一個台階。
中國核科學奠基人--王淦昌院士，和中國應用光學奠基人--王大珩院士
高功率激光和核聚變研究
1964年王淦昌獨立提出激光聚變倡議，1965年立項開始研究。經幾年努力，建成了輸出功率100億瓦的納秒級激光裝置，並於1973年5月首次在低溫固氘靶、常溫氘化鋰靶和氘化聚乙烯上打出中子。1974年研製成功我國第一台多程片狀放大器，把激光輸出功率提高了10倍，中子產額增加了一個量級。在國際上向心壓縮原理解密後，積極跟蹤並於1976年研製成六束激光係統，對充氣玻殼靶照射，獲得了近百倍的體壓縮。這一係列的重大突破，使我國的激光聚變研究進入世界先進行列，也為以後長期的持續發展奠定了基礎。我國的激光科技事業，雖然也遭遇了"文革"十年浩劫，但借助於重點項目的支撐，仍艱難地生存了下來並取得了可貴的進展。
改革開放後，我國激光技術獲得了空前發展的機遇。1980年5月，分別在上海、北京舉行了第一次國際激光會議，與會代表218人（國外66人），鄧小平同誌親切接見了與會中外代表。1983年在廣州和1986年在廈門又舉行了第二次、第三次國際會議，改變了我國的激光技術多年來封閉運轉的局麵，開始走向世界。先後成立了一批國家重點實驗室、開放實驗室、國家工程研究中心和產學研組織。在多項國家級戰略性科技計劃中，激光技術受到重視。"863"計劃七大領域中有激光技術和光電子技術（包括用於信息領域的激光技術），1995年又增列了"慣性約束聚變"主題。國防預研光電子技術作為跨部門項目正式立項，其中也包括激光技術。國家"六五"和"七五"攻關計劃，激光技術被列為重大項目。
慣性約束聚變激光驅動器
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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。為實現可控核聚變有兩種方法，一是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年代初提出的"激光慣性約束核聚變"。
慣性約束核聚變( Inertial Confined Fusion ICF ）的基本原理是：使用強大的脈衝激光束照射氘、氚燃料的微型靶丸上，在瞬間產生極高的高溫和極大的壓力，被高度壓縮的稠密等離子體在擴散之前，向外噴射而產生向內聚心的反衝力，將靶丸物質壓縮至高密度和熱核燃燒所需的高溫，並維持一定的約束時間，完成全部核聚變反應，釋放出大量的聚變能。然而聚變反應所要求的條件卻極為苛刻。首先要有1億度左右的高溫；其次，參與反應的粒子密度要足夠高並能維持一定的反應時間，即‘nτ'值要達到1百萬億（秒/厘米3）以上，這就是著名的勞遜判據。一些國家的實驗室已經在這類激光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激光器，期望能夠實現激光熱核"點火"。
我國從上世紀60年代即開始慣性約束聚變的研究，在王淦昌、王大珩的指導下，中國科學院和中國工程物理研究院從80年代開始聯合攻關，上海光機和長春光機都是協作單位。六十年代初，我國激光聚變研究剛剛起步的時候，錢學森院士就形像地指出：你們的事業是在地球上人造一個小太陽！ICF研究中關鍵設備是大功率的激光器。
神光-Ⅰ
1964年,我國著名核物理學家王淦昌院士獨立地提出激光聚變思想,並建議了具體方案. 按照這一創議,在我國第一個激光專業研究所-中國科學院上海光機所開始了高功率激光驅動器的研製和應用並於 1971年獲得氘-氘碰撞中子. 1978年中國工程物理研究院和中國科學院攜手合作, ICF研究進入了全麵發展的新階段。近廿年來, 致力於研製和應用釹玻璃激光驅動器 -"神光"係列裝置, 取得了顯著進展, 推動了我國慣性約束聚變實驗和理論研究, 並在國際上占有一席之地。
1977年，上海光機所利用1千億瓦的6束激光係統裝置，對充氣玻殼靶照射獲得了近百倍的體壓縮。使我國的激光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1萬億瓦固體激光裝置的建議，稱為激光12號實驗裝置(神光I)。激光12號實驗裝置是建立在中國科學院上海光機所的一台大型高功率激光實驗裝置，位於上海市嘉定區清河路390號光機所內，1983年由上海光機所設計，總建築麵積4612平方米，為4層鋼筋混凝土框架結構，總高度15米。該裝置輸出兩束口徑為200mm的強光束，每束激光的峰功率達1萬億瓦，脈衝寬度有1ns和100ps兩種，波長為1.053μm的紅外光，可倍頻到0.53μm綠光。實驗室內配有物理實驗靶室及全套診斷測量設備，能開展激光加熱與壓縮等離子物理現象的研究和激光X光譜等基礎研究工作。
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1985年7月，激光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激光打靶試驗，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激光裝置，在國際上也是為數不多的大型激光工程。它由激光器係統、靶場係統、測量診斷係統和實驗環境工程係統組成。輸出激光總功率達1萬億瓦量級，而激光時間隻有一秒鍾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10萬億億瓦/厘米2的功率密度。將這樣的光束聚焦在物質的表麵，可以產生上千萬度的高溫，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係統，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、雙束及兩路並束激光打靶的功能，為進行激光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。1987年6月通過國家級的鑒定。
它的建成為進行世界前沿領域的激光物理試驗提供了有利的手段，對尖端科研和國民經濟建設均具有重要意義。1986年夏天，張愛萍將軍為激光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。1989年起，神光I直接驅動獲5000000中子產額，間接驅動獲10000中子產額，衝擊波壓強達0.8TPa，獲近衍射極限類氖鍺X光激光增益飽和。1990年，神光I獲得國家科技進步獎一等獎。
神光-Ⅱ
1993年，國家"863"計劃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激光技術的發展。1994年，神光-Ⅰ退役。神光-Ⅰ連續運行8年，在激光慣性約束核聚變和X射線激光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，規模比神光-Ⅰ裝置擴大4倍。
神光Ⅱ裝置采用了國產高性能元器件，獨立自主解決了一係列的科學技術難題，達到國際最先進的高功率固體激光驅動器水平，實現我國這一領域新的跨越。該係統由激光器係統、靶場係統、能源係統、光路自動準直係統、激光參數測量係統以及環境、質量保障等係統組成，集成了數百台套的各類激光單元或組件，在空間排成8路激光放大鏈，技術參數與當今世界上最先進的在運行的美國OMEGA裝置相當。2000年，神光Ⅱ裝置8路基頻功率達到8萬億瓦，開始試運行打靶。2000年起，直接驅動獲40億中子產額，間接驅動獲1億中子產額，直接驅動衝擊波壓強達1.5TPa，間接驅動衝擊波壓強達3.7TPa。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8萬億瓦／100皮秒，總體性能達到國際同類裝置的先進水平。
"神光Ⅱ"的數百台光學設備集成在一個足球場大小的空間內。神光Ⅱ能同步發射8束激光，在約150米的光程內逐級放大：每束激光的口徑能從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。當8束強激光通過空間立體排布的放大鏈聚集到一個小小的燃料靶球時，在十億分之一秒的超短瞬間內可發射出相當於全球電網電力總和數倍的強大功率，從而釋放出極端壓力和高溫，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，使輸出激光經聚焦後可精確穿過一個約0.3毫米的小孔，僅比一根頭發絲略粗一點。
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判斷超短超強激光係統的性能有兩個重要技術指標：一是時間尺度，二是輸出功率。2004年4月，神光Ⅱ裝置成功突破100萬億瓦大關，輸出峰值功率達到120萬億/36飛秒。目前，國際上隻有少數發達國家的著名實驗鈦寶石激光裝置輸出功率超過100萬億瓦。這意味著神光Ⅱ在1000萬億分之36秒的超短瞬間內，迸發出相當於全球電網發電總和數十倍的強大功率。這種極端物理條件，自然界中隻有在核爆中心、恒星內部和宇宙黑洞邊緣才能存在。上海光機所強光光學重點實驗室科技人員屢屢刷新這兩大指標，在不到１０平方米的光學平台上創造出一次又一次"更快更強"的奇跡。2006年4月13日，神光Ⅱ裝置新添的第9束激光輸出能量打破紀錄，較此前提高了5.8倍，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，離為核聚變"點火"更近一步。
神光Ⅱ的主放大係統
截至2006年，神光Ⅱ裝置已經累計提供運行打靶3000多發次。開展了慣性約束聚變、X光激光等研究約30輪物理實驗，獲得具有十分重要意義的結果。其中激光慣性約束直接驅動打靶，獲得單發40億中子，是國際同類裝置獲中子產額的最好水平。開展的物理實驗為我國ICF研究做出了重大貢獻，標誌著我國激光慣性約束實驗已經真正躍上了一個短波長、大功率激光打靶的新階段，對提高綜合國力具有重要意義。
不論是國外還是國內，巨型激光驅動器都是綜合國力的反映，能夠代表一個國家在這一領域的科技水平。它的研製對相關科學技術有重大的帶動作用。神光Ⅱ裝置的研製不僅為即將建造的下一代激光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(激光玻璃、激光晶體、非線性晶體)、精密光學加工與檢驗(λ/10高平麵度、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係統、快速電子學、控製電子學、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應用前景將是相當可觀的。
神光-Ⅲ
1995年，激光慣性約束核聚變在"863計劃"中立項，我國科研人員開始研製跨世紀的巨型激光驅動器--"神光-Ⅲ"裝置，計劃建成十萬焦耳級的激光裝置。2007年2月4日，中物院神光Ⅲ激光裝置實驗室工程舉行了盛大的開工奠基儀式。該工程位於綿陽中國工程物理研究院內，建築麵積28154m2，平麵布置：呈長方形布置，建築物總長178m，總寬75m，建築結構十分複雜。規劃中的"神光-Ⅲ"裝置是一個巨型的激光係統，比當前世界最大的NOVA裝置還要大一倍多。原計劃它具有60束強光束,紫外激光能量達60KJ,質量和精密性要達到廿一世紀的國際先進水平，現在該計劃可能已經進一步修改，以提高能量規模。慣性約束聚變點火工程（2020年）被已確定為《國家中長期科學和技術發展規劃》的十六項重大專項之一。
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目前，神光-Ⅲ原型裝置"十五"建設目標已圓滿完成，達到"8束出光，脈衝-萬焦耳"的水平，標誌著我國成為繼美、法後世界上第三個係統掌握新一代高功率激光驅動器總體技術的國家，使我國成為繼美國之後世界上第二個具備獨立研究、建設新一代高功率激光驅動器能力的國家。
神光Ⅲ裝置是世紀之交我國曆史上光學領域最宏偉的科學工程，必將全麵帶動相關科學技術攀登世界水平，是我國綜合國力在科技領域的標誌性體現，其作用和意義不亞於當年的"兩彈"。這是挑戰也是機遇，在王淦昌、王大珩、於敏等老一輩科學家帶領下，已奮鬥了三十多年,取得矚目成果，而這隻不過是序幕，需要幾代人的不懈努力。根據規劃，我國在2010年前後還將研製"神光IV"核聚變點火裝置。
神光加工好的Φ380mm成品晶片
我國激光核聚變大事記
1964年，王淦昌提出了研究激光聚變的倡議。
1965年，上海光機所開始用高功率釹玻璃激光產生激光聚變的研究。
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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激光係統。
1974年，上海光機所研製成功毫微秒10萬兆瓦級6路高功率釹玻璃激光係統，激光輸出功率提高了10倍。
1980年，王淦昌提出建造脈衝功率為1萬億瓦固體激光裝置的建議，稱為激光12號實驗裝置。
1987年6月27日，神光I通過了國家級鑒定。
1994年，神光I退役，神光I連續運行8年。
1994年5月18日，神光Ⅱ裝置立項，工程正式啟動。
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2001年8月，神光Ⅱ裝置建成，總體性能達到國際同類裝置的先進水平。
2007年2月4日，中物院神光Ⅲ激光裝置實驗室工程舉行了開工奠基儀式。
美國國家點火裝置(NIF)
美國國家點火裝置（NIF）是是與"神光"計劃一樣的工程，由位於美國加利福尼亞州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室研製。該計劃自1994年開工以來延期了很多次，它最終的目標是2010年實現聚變反應，並達到平衡點，即激光在聚變反應中產生的能量大於它們所消耗的能量。該計劃建造和運行花費超過35億美元，容納NIF裝置的建築物長215米，寬120米，相當於三個足球場。
美國國家點火裝置的實驗過程為：先將外部激光增強10000倍，然後將一束激光分離為48束激光，再增強，進一步分離為192束激光，其總能量增加到原來能量的3000萬億倍，再聚焦到直徑為3毫米的氘氚小丸上，產生1億度的高溫，壓力超過1000億個大氣壓，進而引發核聚變。每束激光發射出持續大約十億分之三秒、蘊涵180萬焦耳能量的脈衝紫外光--這些能量是美國所有電站產生的電能的500倍還多。當這些脈衝撞擊到目標反應室上，它們將產生X光。這些Ｘ光會集中於位於反應室中心裝滿重氫燃料的一個塑料封殼上。X光將把燃料加熱到一億度，並施加足夠的壓力使重氫核生聚變反應。釋放的能量將是輸入能量的15倍還多。這是因為激光在鏡麵之間來回反射，並通過3000塊磷酸鹽玻璃，其中的鈦原子會使激光束擴大。利弗莫爾有850名科學家和工程師。另外大約有100名物理學家在那裏設計實驗。NIF的問題是它的激光每幾小時隻能發射一次。Mercury激光的方案已經在計劃中。它不一定比NIF更大，它的目標是每秒鍾發射10次脈衝。
NIF激光試驗與靶區建設的規模相當於3個足球場
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國際上已投入運行的激光器和計劃建造的巨型裝置，歸納為下列兩表。
激光裝置國家及實驗室輸出能量 束數 建成時間
GEKKO-XII日本大阪大學ILE 15KJ/3ω 12 1983
PHEBUS法國裏梅爾實驗室 10KJ/3ω 2
VULCAN英國盧瑟福實驗室 2KJ/3ω 8
HELEN英國原子武器中心 1KJ/1ω 1
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NOVA美國裏弗莫爾實驗室 40KJ/3ω 10 1984
OMEGA美國羅徹斯特大學LLE 30KJ/3ω 60 1995
Beamlet美國裏弗莫爾實驗室6.4KJ/3ω 1 1994
計劃建造的巨型釹玻璃激光裝置
裝置名稱國家及實驗室能量/波長 束數 預定進度
NIF美國裏弗莫爾 1.8MJ/3ω 192 2002
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MLF法國核武器所 1.8MJ/3ω 240 2005
100-TW英國武器中心＞100KJ/3ω 32
日本大阪大學＞100KJ/3ω 尚未批準
(新浪博客)
