科学家们利用激光聚焦打击各类材质,以激发冲击波、电磁辐射等,模拟研究核试验环境和条件;无辐射的聚变发电具有广阔的应用前景,可替代现有的核裂变发电,清洁安全,资源丰富。可以说,激光聚焦打靶是国防军事实验以及远期民用聚变发电的重要驱动应用。

什么是靶?

靶(target),顾名思义是目标的打击点,其打击行为俗称打靶。靶主要分为平面靶和腔靶两类,平面靶的形态相对简单,一般是由某种材料制作成平面形态;腔靶即为激光注入打击到某种柱腔或者球形腔中,其材料和结构相对复杂。两类靶型的尺寸一般都是mm量级,激光束聚焦打靶的光斑尺寸一般是百微米量级。

平面靶一般是由基底和膜构成。基底一般是某种金属(比如铝、铜、钨、金等),薄膜一般由氢原子构成的化合物(比如CH膜等),通过打击不同材料的平面靶,可以研究相关的冲击波、等离子体喷射、X射线/伽马射线等电磁辐射效应。

而腔靶的腔内靶丸为氚氘小球,腔体由原子序数较大的高Z材料制备而成(比如钨、金、铅等),腔壁则镀有一些利于吸收和转换激光能量的复合材料。类似图(b)所示的柱腔靶尺寸一般为数mm量级,故其制备过程较为复杂和精细,通常由人工或机械臂在显微放大镜下操控制作而成。


图(a)单束激光打击平面靶;(b)多束激光多角度打击柱腔靶。

靶“生活”的地方

由于常压下大气流体阻力太大、杂质颗粒太多,所以靶通常“生活”在一个密闭的高真空环境,以获得最佳的探测条件。最常见的方式是用一个类似金属球体的结构将靶点完全包住。

多年来,围绕物理实验的变化发展,激光装置的靶球形态、结构和尺寸都有很大改变。90年代初,神光I是一个柱球形靶室(中间圆柱,两侧半圆),尺寸约1m;2000年初,神光II制作了一个更大的柱球形靶室和一个圆形靶室,尺寸扩大约2m;2010年后,神光II升级装置的圆形靶球接近3m。

虽然靶点很小,但考虑到聚焦前激光束口径尺寸(通常200~400mm)、数十上百的激光束数量,以及各类探头的安装位置等因素,致使靶球形态、尺寸不断改进。


图 左为神光I的柱球形靶室,右为神光II-升级的球形靶室。

那么问题来了:这么小的靶怎么放置与固定呢?又是如何实现高真空环境呢?

我们制作了一套类似机械臂的结构称为靶架,它能将靶固定在其特定支点上,并通过运动机构将该支点置于靶室中心(精度一般是头发丝尺寸10~20µm量级)。

高真空环境,就类似日常生活中的抽真空包装袋一样,使用超大功率的抽真空机器,将靶室中的气体抽走,一般达到10-3 Pa(常压状态为105 Pa)。抽真空技术,从神光I的分子泵到现在的冷泵,也有所进化。


图 靶架

激光束的导引

靶场是激光装置系统末端,服务于打靶的场地。别看只有区区mm量级的目标区域,为了将多束(通常约10~200束)激光从四面八方各个角度聚焦打击到靶点上,需要很多的光学组件,很大的场地空间,才能达到实验打靶的目的。

一般到达靶场的多束激光是n条平行线排布的,为了从靶球上各个孔注入,需要将它们分别导引到不同角度,最终达到注入靶室的目标。

实现这一目标最简便的方法当然是用镜子啦!大家都知道光的镜面反射原理,故我们根据入射角度要求,在每一束光的传播路径上适当的配置好反射镜,就能将激光束导引好。


图 装配到位的反射镜,箭头为光束被镜子反射前后的走向

问题又来了:有些光束口径比较大(比如300mm),那么此时反射镜45度放置时,反射镜尺寸做成300*300mm就够了么?

显然不够,为了避免漏光,斜接触的方向必然会要求长一些。根据勾股定理,等腰直角三角形的斜边与直角边比值为:1,即反射镜长宽比为:1。

神光II升级装置的靶场光路构建原理也是如此,反射镜被放置到围绕靶球钢架上的特定位置,缺一不可,整体在一起就形成了靶场区域,看起来是不是很高大上呢?


图 神光II-升级靶场模型(橙色为激光束路径)

激光束的控制和变换

能顺利导引激光,对于打靶来说只是第一步。众所周知,激光器输出的是偏向红光或者红外的长波长激光。但随着实验的深入,我们发现紫光或者近紫外的短波激光更容易激发显著的实验效果,甚至能达到聚变条件。因此在靶场,如何将1µm左右的长波光转换为0.3µm左右的短波光成为一个关键问题。

神光I输出即为1w基频激光(波长约1.053µm),在X激光和ICF实验驱动下,逐渐在神光II装置过渡到2w倍频激光(波长约0.527µm)。随着ICF间接驱动聚变需求的提升,使用3w紫外激光(波长约0.351µm)打靶成为主流。这需要进行“谐波转换”,即采用晶体类材质的元器件,将激光波长转为短波。这是一种非线性过程,简单方程的示意描述如下:

从方程式可以看出,在激光装置末端,能够实现倍频和三倍频功能的KDP晶体是关键。起先国内无法将晶体生长到光束口径的300mm尺寸,随着科研技术能力的提升,现在大口径尺寸的KDP晶体已经能很好的应用于装置中。


图 激光波长变换示意图(最终输出即为所需的三倍频紫外激光)

另外,物理实验对聚焦到靶点的光斑尺寸和轮廓有着严苛的要求。很多时候,激光打靶要求有一定尺寸(如0.5mm左右尺寸)的均匀光斑,而经过透镜聚焦的焦斑一般不到0.05mm,因此需要光束控制技术(通常是插入一类光学元件,俗称束匀滑元件)将聚焦光斑调控到所需要的尺寸。

20世纪90年代初,联合室邓锡铭院士提出的“蝇眼列阵透镜技术”成功解决了这一问题,它由一系列的小透镜胶合而成,俗称“上海方法”,为国内外学术界所推崇。为了解决X激光实验中线聚焦问题(需要将光斑变换为一条狭长的细线),老一辈靶场组的课题组长黄宏一、陈万年、王树森等,采用类似蝇眼列阵透镜的思路,开发了由一些柱条形的透镜胶合而成的柱面镜子,为X激光物理实验开拓了方向。直到现在,尽管更先进的连续相位板已能实现更方便的光斑控制,但在某些实验领域,二者仍有良好的使用价值。


图 左为蝇眼列阵透镜;右为柱面透镜

为了将光斑控制、谐波转换、透镜聚焦等多个功能集成在一起,我们使用了靶场集成终端光学组件(FOA)。

类似于单反相机的镜头组,将相关的7~8块透过型光学元件集中“串”在一起,封闭在整套机械结构中。下图是多个FOA宏观图,它们与靶球结合在一起,可视为一个全副武装的巨型机器人:心脏在靶点,躯干是靶球,肢体是FOA系统。

FOA的优势是集成模块化后,方便组装调试,整体环境可控。但是在高功率激光辐照下,多个面的剩余反射光对机械和光学元件的破坏逐渐呈现,这已成为FOA系统无法回避的技术难题。


图 多个FOA挂载示意图

激光聚焦打靶,凝聚了多代科学家的心血和努力。当前,神光装置的靶球最多是9束激光打靶,为了最大化聚焦打靶能量,以便接近理论聚变点火条件,一是增加激光路数,二是进一步提高单束激光的能量,故新建一套192甚至更多束的超大型激光装置已经提上日程。对于靶场来说,这将对靶球、反射镜和FOA系统提出更高的要求。如何优化配置FOA光路、提升光学元件性能、管控最好工作环境等,已然成为今后靶场需要攻克的重大技术难关。