神光工程
在世界化石能源即将枯竭,而新型能源进展缓慢的情况下,人们的眼睛都投向了浩淼的海洋--那里有几乎无穷尽的可以用来进行核聚变的原料。惯性约束聚变的研究,就是为了实现可控核聚变,使人类可以安全高效地利用海洋中这一理想的能源。而高功率大功率激光装置,是这一计划的关键之一。
为了达到这一目标,中国科学院、中国工程物理研究院、国家“863”计划支持了神光Ⅱ装置的大科学工程项目。该装置是目前我国规模最大、国际上为数不多的高性能、高功率固体激光装置,是我国中近期惯性约束聚变重要实验平台,于2001年12月底,神光Ⅱ装置通过了中国科学院、中国工程物理研究院联合主持的鉴定与验收。
神光Ⅱ装置采用了国产高性能元器件,独立自主解决了一系列的科学技术难题,达到国际最先进的高功率固体激光驱动器水平,实现我国这一领域新的跨越。该系统由激光器系统、靶场系统、能源系统、光路自动准直系统、激光参数测量系统以及环境、质量保障等系统组成,集成了数百台套的各类激光单元或组件,在空间排成8路激光放大链,每路终端输出激光净口径φ230mm,具有1ns、100ps两种脉宽,1.053μm、0.53μm、0.35μm3种波长,1.053μm波长1ns脉冲下输出能量达到6KJ,技术参数与当今世界上最先进的在运行的OMEGA装置相当。
神光Ⅱ装置使用了大量的高精尖的材料,如激光玻璃、激光晶体、非线性晶体(特别是大尺寸KDP晶体),促进了许多相关技术发展,如大尺寸高质量晶体生长技术、精密光学加工与检验技术,精密机械、快速电子学、控制电子学、二元光学技术等。投入使用后,不仅用于惯性约束聚变研究,而且还进行了诸多其他领域实验工作。
神光装置1
神光装置2
神光装置3
神光装置4
神光装置5
神光装置6
惯性约束核聚变( Inertial Confined Fusion ICF )使用脉冲激光束照射氘、氚燃料的靶丸上,由靶丸表面物质的溶化、向外喷射而产生向内聚心的反冲力,将靶丸物质压缩至高密度和热核燃烧所需的高温,并维持一定的约束时间,释放出大量的聚变能。其中关键设备是大功率的激光器。惯性约束聚变点火工程(2020年)被已确定为《国家中长期科学和技术发展规划》的十六项重大专项之一。
目前,神光-Ⅲ原型装置十五建设目标已圆满完成,达到“8束出光,脉冲-万焦耳”的水平,标志着我国成为继美、法后世界上第三个系统掌握新一代高功率激光驱动器总体技术的国家,使我国成为继美国之后世界上第二个具备独立研究、建设新一代高功率激光驱动器能力的国家。但是,神光工程所需要的口径300~550mm甚至更大口径的KDP晶体欧美等西方国家长期以来对我国禁运,因此,必须自主研究生长大口径KDP晶体。
KDP晶体生长到一定尺寸后,晶体尺寸效应明显,易开裂,而且,大口径晶体的加工也是一个难题。因此,必须寻找新方法、新技术,来解决这些生长和加工的问题。
我国研究人员经过长时间反覆实验论证,从生长晶体的原料、掺杂、温场分布、槽体设计、晶体转速等工艺控制手段,系统进行了理论和实践探讨,找到了一条生长大尺寸KDP晶体的道路,并提出了单槽温差降温法、单循环流动法等的新方法(国家专利),圆满解决了晶体生长问题。在采用大型水溶晶体切割设备后,晶片的切割加工问题也得到克服,满足了神光工程的要求,晶体生长质量、生长速度和尺寸方面均达到国际先进水平。
生长中的550mm×550mm大KDP
450mm×500mm×1000mm大KDP晶体
大型水溶晶体切割设备
Φ380mm成型坯片
加工好的Φ380mm成品晶片
光学器件
参考中国科学院院刊资料
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