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第一章引言1.1惯性约束聚变简介作为人类社会不断发展的主要动力，能源的获取一直是受到人们普遍关注 的问题尤其是在当石油、天然气等不可再生的能源逐渐趋于枯竭时，能源问 题更显得尤为突出通过受控核聚变产生聚变能作为获取新能源的主要途径，一直是广大科学 工作者孜孜不倦努力的方向要实现受控核聚变，必须满足两个基本条件，一 是必须将燃料加热到很高的热核反应温度，二是必须在足够长的时间内将高温 高密度等离子体约束在一起本世纪40年代，人们提出磁约束聚变（MCF）的思想1所谓磁约束聚变, 是指利用磁场将带电粒子约束住，使之发生聚变反应通过40多年的发展，在 90年代，磁约束聚变己达到可进行科学可行性验证阶段在激光问世后，人们提出采用高功率激光器加热燃料达到热核反应温度的 思想1964年，我国科学家王，金昌教授和前苏联巴索夫院士同时独立地提出了 用激光照射笊笊而产生中子的想法潟，并于其后不久获得了实验证明，为激光 惯性约束聚变获取核能做出了开创性的工作之后在1972年，美国劳伦斯利弗 莫尔国家实验室的Nuckolls等人发表了利用内爆原理将热核燃料压缩至高温和 高密度实现聚变的概念七取得理论上的突破，这是惯性约束聚变研究具有里程 碑意义的进展。

激光技术经过近40年的发展，固体激光驱动器发展己十分成熟，是实验室 中能够创造高温高密度条件的最可选技术途径在四种类型的驭动器（其余三 种是气体激光驰:动器、轻离子加速器和重离子加速器）中最有可能首先实现增 益和点火七目前已有能提供产生核聚变所需辐照功率密度的激光器我们称这 种激光器为ICF驱动器为获得较高的激光能量与靶丸燃料的耦合效率，一•般 用于激光聚变的激光波长处于短波长区目前唯一用于研究激光聚变的激光器是钛玻璃激光器，这种激光器技术成熟，采用该激光器产生的1.06pm的激光经 磷酸二氢钾(KDP)晶体高效地频率转换后获得0.351 pirn波长的光波之外，KrF 准分子激光器具有波长短(248nm)、脉冲整形能力优越、效率高等优点，作为ICF 驱动的一种候选激光器，KrF准分子激光器也正受到人们的关注同时针对现有林灯泵浦技术热效应显著、重复频率低和效率低的缺点，发 展半导体激光二极管泵浦技术日益受到科学工作者的关注6七希望能籍此发展 重复频率高、效率高的聚变驭动源技术目前半导体激光二极管成本是制约半 导体激光二极管泵沛技术发展的瓶颈所谓激光驱动惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion-ICF),就是基于氢 弹原理，即利用高能激光驭动器在极短时间内将聚变燃料小球(靶丸)加热、压缩 到高温、高密度，使之在中心“点火”，点燃后继核反应实现受控聚变。

从而获 得干净聚变能源七惯性约束聚变过程一共分为四个阶段：1. 激光辐射(图1-la)：强激光束快速加热丸表面，形成一•个等离子 体烧蚀层2. 内爆压缩(图1-lb)：靶丸表面热物质向外喷发，反向压缩燃料3. 聚变点火(图1-lc)：通过向心聚爆过程，笊笊核燃料达到高温、高密度 状态4. 聚变燃烧(图1-ld)：热核燃烧在被压缩燃料内部受延，产生数倍的能量 增益，大量的聚变能输出a) (b) (c) (d)图1-1惯性约束聚变过程的四个阶段根据强激光束引燃聚变的方式不同，H前惯性约束聚变的实现方式可分为 两种9(见图1-2)： — •种是直接驱动，它是指直接将激光能量均匀地辐照到靶上, 以获得靶丸内爆的X寸称性和高的增益激光与靶壳相互作用产生的等高子体向外膨胀，其产生的反向压力驰:动剩余靶壳向内运动压缩靶丸产生聚变；采用直 接驭动可以通过较少的能量实现聚变点火，但对靶丸辐照的均匀度的要求十分 苛刻；另一种为间接驭动，即将笊疑小球放在由高z材料制成的靶腔内，将激 光能量辐照到靶腔的内壁上，靶腔内壁吸收激光能量产生X光再辐照压缩靶丸, 实现聚变间接驭动方式对激光驭动的均匀性和对称性要求较之直接驭动要低 些，但因为X光辐射输运过程降低了激光能量的利用率，因此需要的辐照激光 能量要高。

H前受控核聚变主要是笊(DXM(T)为聚变燃料的反应，这不仅是因为D-T 聚变反应容易实现，而旦笊(D)笊(T)燃料来源十分丰富在普通水中含有大量的 免原子，D・T反应所需的氤，可以通过D・D聚变反应获得从每升水中提取的 觅用来产生的聚变能约是70升石油燃烧产生的能量在地球上有着大量的水资 源可以说聚变能是一种取之不尽、用之不竭的能源，同时也是一种干净、安 全的能源，并较之裂变能更为便宜ICF最主要的民用项目是将其建成一•种丰 富、经济、无环境污染的电源这是世界上有核国家和无核国家开展惯性约束 聚变的根本原因另外，ICF作为一种科研工具，将在今后物理学的六个领域 里扮演重要的角色，为这些领域的研究提供了前所未有的机遇：*激光一原子前沿的物理学；*相对论等离子体波；*人工改变结构材料的物理特性；*生物分子动力学；*宇宙学；*极限条件下的物质特性研究在军事上，ICF实验能够释放出100 -1000MJ的热核能量，可在实验室的小范围内产生与核武器相似的条件利用 这些条件可在核禁试条件下，结合先进的计算模拟，继续进行武器物理研究， 发展与确保核武器的可靠性、安全性和有效性ICF非同寻常的意义，引起了各国科学家的广泛兴趣。

研制各自的高功率 激光惯性约束聚变驭动系统，成为各国战略部署的重要组成部分表1・1显示 了 H前世界上现有ICF激光驭动器装置现状从某种程度上说，ICF固体激光 装置的研制规模成为各国综合科技实力的重要标志之--a) (b)图1-2惯性约束聚变驰动方式(a)直•接驱动 (b)间接驱动目前高功率固体激光技术进入了一发展高潮时期激光聚变驭动技术的研 究得到各国的极大重视和投入，各国己先后制定了相应的发展计划(见表l-2)o 在这方面，美国处在领先的地位1998年10月21 □,美国能源部批准了 “国 家点火设施” (National Ignition Facility, NIF)计划，希望在2010年左右实现热核 点火总投资18亿美元从现有报道来看，研制经费还将继续追加目前NIF 已进入工程施工阶段％在国家点火装置进行工程化建造前，美国LLNL已按 NIF设计参数完成了全尺寸的单路原型样机(Beamlet)的建造并在上面完成了大 部分关键单元技术的实验研究七为NIF的建造打下良好的基础美国NIF计 划的实施及Beamlet的建成和取得的成功经验更加明确的为ICF的研究指明了 方向1993年，法国原子能委员会批准了 LMJ计划％英国基于美国LLNL的 技术支持，亦开展了建造功率为100TW的激光系统的研究工作"，俄罗斯在经 过数10年发展碘激光技术之后，也转向发展固体激光技术的研究也表1-1各国ICF驱动器参数表装置名称实验室臼匕耳 北里束数建成时间Nova美国利弗莫尔实验室40KJ/3O)101984Omega美国罗彻斯特大学30KJ/3O)601995Gekko -XII口本大坂大学15KJ/3CO121983Phebus法国里梅尔10 KJ/3a)2Vulcan英国卢瑟夫实验室2 KJ/3(d8我国在1983年，建成星光-I激光装置地并在1995年升级为星光-II(300J), 1985年建成神光・1装置，在2000年升级为神光-II(6KJ)O ICF的研究已被列入863高科技项目中，1993年成立了国家高技术惯性约束聚变委员会，制定了神 光・111的发展计划并已着手进行前期的原形样机TIL的研制，预计将在21世纪 前十年建成神光-III激光装置&表1-2各国ICF驱动器发展计划筒表装置国家能量束数建成时间NIF美国1.8MJ192LMJ法国1.8MJ2409 •10-TW英国100KJ329 •ISRKA-6俄国300KJ1289 •金刚日本9 •9 .9 •SG-III中国60KJ609 •1.2 ICF固体激光驱动器的组成和总体技术要求惯性约束聚变是在极小的空间尺度（0.1〜1mm）、极短的时间（-10-9秒）、 和极高的温度（1〜5百万度）、高密度等极端条件下所发生的物理过程。

从ICF 兆动器系统的组成和规模来看，研制这种高功率固体激光装置，将涉及到极其 广泛的科学领域，并要应用多种先进的技术可以说惯性约束聚变驱动器的研 制是一种高技术、知识密集型的大科学工程，涉及的学科或专业主要包括物理、 现代光学工程技术、精密机械制造、精密光学加工、电子及自动化控制、特种 材料制造、先进的现代管理方式等1.2.1 ICF固体激光驱动器结构I，如图1-3所示，高功率固体激光驱动器主要由前端■预放大级、主放大级、 频率转换器、靶场等系统组成之外还有能源、激光参数测量和控制等系统前端预放级前端预放级由主振荡级、前端放大器以及脉冲整形器组成它主要用于产 生一个高稳定、有一定光谱宽度的纳秒至亚纳秒的脉冲，同时.前端预放级具有 对脉冲进行时间上和空间上的整形能力，并能将脉冲进行一定的放大WavelengthSpatial Rod Spatial MasterFusion fuel capsule (center)(color) conversion crystalsamplifierFaraday rotator Disk amplifierFocusinglensesTurningmirror■W”.岫•4|・Disk amplifierSpatial filter图1-3 ICF固体激光驱动器的基本组成结构图*主放大级主放大级主要由空间滤波器、隔离器、多级棒状放大器和多级片状放大器 组成。

它主要功能是将前端预放级注入的脉冲放大到所设计的能量和功率指标 主放大级结构有两种，一种是MOPA结构，即单程放大的主振功放构型，该技 术相当成熟，结构简单，技术风险低，但系统规模庞大，费用昂贵现有的ICF 驭动器，如NOVA、Omega等均采用这种技术另外-•种是多程放大技术吧 与MOPA相比，对于相同的系统输出水平，可较大幅度降低对前级驰动能量的 要求，放大系统的效率得到提高，因此具有更高的性能价格比同时这种技术 实现难度大、风险高频率转换器频率转换器主要是将主放大级输出的1.06pm的基频光转换为打靶所需的 三倍频光FI前用于高功率激光装置谐波转换的非线性晶体一般为KDP晶体， 一般采用I/II类角度失谐匹配方式气 在宽频带条件下，可选用三晶体方式（即 一块倍频晶体，两块混频晶体）2频率转换器是ICF宛动器的一•个重要组成部 分，其三倍频转换效率是决定整个驭动装置输出能量的关键靶场系统靶场系统主要是将三倍频光聚焦并准确注入真空靶球中的黑洞靶腔中并能 对靶丸进行三维调整靶场主要包括终端聚焦光学系统、真空靶球、靶三维瞄 准定位系统、靶场桁架及支撑系统1.2.2 ICF物理实验对焦斑形态的要求对于ICF固体激光驭动器而言，能够提供一•个强度足够高、均匀的、干净 的辐照场是ICF物理实验对其最基本要求2】。

在间接驱动中，聚焦光斑中的高频调制会导致成丝效应的产生，由于丝中 的光强远高于平均值，从而加强受激拉曼散射(SRS)和受激布里渊散射(SBS)的 非线性过程，这不仅会降低激光-X射线的能量转换率，还会产生大量有害的超 热电子，提前加热靶丸，影响压缩靶丸的过程同时散射光将增加内爆靶丸辐 射的不均。