科學家們利用激光聚焦打擊各類材質，以激發沖擊波、電磁輻射等，模擬研究核試驗環境和條件；無輻射的聚變發電具有廣闊的應用前景，可替代現有的核裂變發電，清潔安全，資源豐富?？梢哉f，激光聚焦打靶是國防軍事實驗以及遠期民用聚變發電的重要驅動應用。
靶“生活”的地方
什么是靶？
靶（target），顧名思義是目標的打擊點，其打擊行為俗稱打靶。靶主要分為平面靶和腔靶兩類，平面靶的形態相對簡單，一般是由某種材料制作成平面形態；腔靶即為激光注入打擊到某種柱腔或者球形腔中，其材料和結構相對復雜。兩類靶型的尺寸一般都是mm量級，激光束聚焦打靶的光斑尺寸一般是百微米量級。
平面靶一般是由基底和膜構成?；滓话闶悄撤N金屬（比如鋁、銅、鎢、金等），薄膜一般由氫原子構成的化合物（比如CH膜等），通過打擊不同材料的平面靶，可以研究相關的沖擊波、等離子體噴射、X射線/伽馬射線等電磁輻射效應。
而腔靶的腔內靶丸為氚氘小球，腔體由原子序數較大的高Z材料制備而成（比如鎢、金、鉛等），腔壁則鍍有一些利于吸收和轉換激光能量的復合材料。類似圖（b）所示的柱腔靶尺寸一般為數mm量級，故其制備過程較為復雜和精細，通常由人工或機械臂在顯微放大鏡下操控制作而成。
圖（a）單束激光打擊平面靶；（b）多束激光多角度打擊柱腔靶。
靶“生活”的地方
由于常壓下大氣流體阻力太大、雜質顆粒太多，所以靶通常“生活”在一個密閉的高真空環境，以獲得最佳的探測條件。最常見的方式是用一個類似金屬球體的結構將靶點完全包住。
多年來，圍繞物理實驗的變化發展，激光裝置的靶球形態、結構和尺寸都有很大改變。90年代初，神光I是一個柱球形靶室（中間圓柱，兩側半圓），尺寸約1m；2000年初，神光II制作了一個更大的柱球形靶室和一個圓形靶室，尺寸擴大約2m；2010年后，神光II升級裝置的圓形靶球接近3m。
雖然靶點很小，但考慮到聚焦前激光束口徑尺寸（通常200~400mm）、數十上百的激光束數量，以及各類探頭的安裝位置等因素，致使靶球形態、尺寸不斷改進。
圖 左為神光I的柱球形靶室，右為神光II-升級的球形靶室。
那么問題來了：這么小的靶怎么放置與固定呢？又是如何實現高真空環境呢？
我們制作了一套類似機械臂的結構稱為靶架，它能將靶固定在其特定支點上，并通過運動機構將該支點置于靶室中心（精度一般是頭發絲尺寸10~20?m量級）。
高真空環境，就類似日常生活中的抽真空包裝袋一樣，使用超大功率的抽真空機器，將靶室中的氣體抽走，一般達到10-3 Pa（常壓狀態為105 Pa）。抽真空技術，從神光I的分子泵到現在的冷泵，也有所進化。
圖 靶架
激光束的導引
靶場是激光裝置系統末端，服務于打靶的場地。別看只有區區mm量級的目標區域，為了將多束（通常約10~200束）激光從四面八方各個角度聚焦打擊到靶點上，需要很多的光學組件，很大的場地空間，才能達到實驗打靶的目的。
一般到達靶場的多束激光是n條平行線排布的，為了從靶球上各個孔注入，需要將它們分別導引到不同角度，最終達到注入靶室的目標。
實現這一目標最簡便的方法當然是用鏡子啦！大家都知道光的鏡面反射原理，故我們根據入射角度要求，在每一束光的傳播路徑上適當的配置好反射鏡，就能將激光束導引好。
圖 裝配到位的反射鏡，箭頭為光束被鏡子反射前后的走向
問題又來了：有些光束口徑比較大（比如300mm），那么此時反射鏡45度放置時，反射鏡尺寸做成300*300mm就夠了么？
顯然不夠，為了避免漏光，斜接觸的方向必然會要求長一些。根據勾股定理，等腰直角三角形的斜邊與直角邊比值為：1，即反射鏡長寬比為：1。
神光II升級裝置的靶場光路構建原理也是如此，反射鏡被放置到圍繞靶球鋼架上的特定位置，缺一不可，整體在一起就形成了靶場區域，看起來是不是很高大上呢？
圖 神光II-升級靶場模型（橙色為激光束路徑）
激光束的控制和變換
能順利導引激光，對于打靶來說只是第一步。眾所周知，激光器輸出的是偏向紅光或者紅外的長波長激光。但隨著實驗的深入，我們發現紫光或者近紫外的短波激光更容易激發顯著的實驗效果，甚至能達到聚變條件。因此在靶場，如何將1?m左右的長波光轉換為0.3?m左右的短波光成為一個關鍵問題。
神光I輸出即為1w基頻激光（波長約1.053?m），在X激光和ICF實驗驅動下，逐漸在神光II裝置過渡到2w倍頻激光（波長約0.527?m）。隨著ICF間接驅動聚變需求的提升，使用3w紫外激光（波長約0.351?m）打靶成為主流。這需要進行“諧波轉換”，即采用晶體類材質的元器件，將激光波長轉為短波。這是一種非線性過程，簡單方程的示意描述如下：
從方程式可以看出，在激光裝置末端，能夠實現倍頻和三倍頻功能的KDP晶體是關鍵。起先國內無法將晶體生長到光束口徑的300mm尺寸，隨著科研技術能力的提升，現在大口徑尺寸的KDP晶體已經能很好的應用于裝置中。
圖 激光波長變換示意圖（最終輸出即為所需的三倍頻紫外激光）
另外，物理實驗對聚焦到靶點的光斑尺寸和輪廓有著嚴苛的要求。很多時候，激光打靶要求有一定尺寸（如0.5mm左右尺寸）的均勻光斑，而經過透鏡聚焦的焦斑一般不到0.05mm，因此需要光束控制技術（通常是插入一類光學元件，俗稱束勻滑元件）將聚焦光斑調控到所需要的尺寸。
20世紀90年代初，聯合室鄧錫銘院士提出的“蠅眼列陣透鏡技術”成功解決了這一問題，它由一系列的小透鏡膠合而成，俗稱“上海方法”，為國內外學術界所推崇。為了解決X激光實驗中線聚焦問題（需要將光斑變換為一條狹長的細線），老一輩靶場組的課題組長黃宏一、陳萬年、王樹森等，采用類似蠅眼列陣透鏡的思路，開發了由一些柱條形的透鏡膠合而成的柱面鏡子，為X激光物理實驗開拓了方向。直到現在，盡管更先進的連續相位板已能實現更方便的光斑控制，但在某些實驗領域，二者仍有良好的使用價值。
圖 左為蠅眼列陣透鏡；右為柱面透鏡
為了將光斑控制、諧波轉換、透鏡聚焦等多個功能集成在一起，我們使用了靶場集成終端光學組件（FOA）。
類似于單反相機的鏡頭組，將相關的7~8塊透過型光學元件集中“串”在一起，封閉在整套機械結構中。下圖是多個FOA宏觀圖，它們與靶球結合在一起，可視為一個全副武裝的巨型機器人：心臟在靶點，軀干是靶球，肢體是FOA系統。
FOA的優勢是集成模塊化后，方便組裝調試，整體環境可控。但是在高功率激光輻照下，多個面的剩余反射光對機械和光學元件的破壞逐漸呈現，這已成為FOA系統無法回避的技術難題。
圖 多個FOA掛載示意圖
激光聚焦打靶，凝聚了多代科學家的心血和努力。當前，神光裝置的靶球最多是9束激光打靶，為了最大化聚焦打靶能量，以便接近理論聚變點火條件，一是增加激光路數，二是進一步提高單束激光的能量，故新建一套192甚至更多束的超大型激光裝置已經提上日程。對于靶場來說，這將對靶球、反射鏡和FOA系統提出更高的要求。如何優化配置FOA光路、提升光學元件性能、管控最好工作環境等，已然成為今后靶場需要攻克的重大技術難關。
轉載請注明出處。
相關文章
熱門資訊
精彩導讀
關注我們
