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2020年是激光诞生60周年，是值得纪念的一年。激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类科学史上的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”和“最亮的光”。自1960年第一台激光器问世以来，人类掌握了一种无与伦比的强大光源和工具，极大地推动了科技进步，也照亮了我们的生活。值此激光发明60周年之际，信息管理中心调研团队从激光理论提出及激光器发明与发展、激光应用、中国激光事业发展及国外大型激光装置建造四个方面对激光技术发展历程进行了全面梳理回顾，希望以此以飨读者，共庆激光发明60周年。
国外大型激光装置 1974 to 2019 1974 KMS激光聚变公司用两束近乎正交的激光照射含氘氦混合气体的玻璃束壳靶，获得了3×105中子产额和50~100倍的体压缩，是当时国际ICF研究的一项标志性成果。 1974 美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 单束Janus激光器建成。同年晚些时候，对Janus进行了改造升级，正如为它命名的神灵“两面神”，改造后的Janus为双束装置，两路激光从相反的方向射向靶丸。Janus最初被定义为大功率激光装置，但是最终只能产生约10J能量的激光脉冲。
图6 1975年Janus激光器 1974 LLNL单束Cyclops激光器建成，是当时尚未建成的20束10.2kJ Shiva激光装置的原型装置。
图7 Cyclops激光器 1976 英国政府科学研究委员决定终止对英国几个主要的高功率激光装置的投资，将资金投入Vulcan（火神）装置的建设中。
图8 Vulcan装置示意图 1976 LLNL双束Argus激光装置建成，该装置于1981年9月停止使用并拆除。其聚变产额最高达到了109。Argus激光装置的一个重大成就是首次发现通过使用二倍频、三倍频激光，而不是直接使用由激光产生的红外线，能够产生热电子，从而减少硬X射线的产生。
图9 双束Argus激光装置激光大厅 1977 LLNL Shiva装置建成，该装置拥有20路光束，输出能量达10.2kJ。
图10 Shiva装置 1978 日本大阪大学激光工程研究所 (ILE) 建成Gekko-Ⅳ装置，该装置用掺钕磷酸盐玻璃代替掺钕硅酸盐玻璃做激光放大器的工作介质。 1979 前苏联Iskra-4装置建成，该装置拥有8路光束，为碘分子激光器。 1980 罗切斯特大学激光能量实验室 (UR/LLE) 拥有24路光束的Omega装置建成。 1983 LLNL的双束2.5kJ Novette装置建成，该装置是第一台使用磷酸二氢钾 (KDP) 晶体制成的光学频率转换器的激光装置。
图11 Novette靶室 1983 日本Gekko-Ⅻ装置建成。该装置由日本大阪大学激光工程所 (ILE) 指定日本电气公司负责建设，为拥有基频、二倍频和三倍频能力的激光装置，拥有12路光束，是当时世界上最大的钕玻璃激光装置。 1984 LLNL建成Nova激光装置，该装置脉冲能量为45kJ，脉宽2.5ns，是全世界第一台拍瓦级激光装置，装置峰值功率达1.5PW。1999年6月，Nova装置进行了最后一次试验后拆卸。
图12 Nova装置靶室 1989 前苏联Iskra-5装置建成。2003年，该装置改为二倍频装置。
图13 Iskra-5装置靶室 1990 美国国会批准并投资6100万美元对Omega装置进行升级。 1993 美国能源部长詹姆斯•沃特金斯 (James Watkins) 签署了第0号决议，确认国家点火装置的任务需求。决策表明，NIF是为支持惯性约束聚变计划需要实现的点火和热核聚变、燃烧增益而提出的。 1994 LLNL单束Beamlet激光装置建成，该装置为NIF的原型装置。
图14 Beamlet激光装置 1995 Omega装置完成升级工作，光路达到60路，输出能量为30kJ。 1995 5月，美国海军实验室 (NRL) Nike KrF激光装置建成，该装置为直接驱动装置，能够以248nm波长产生3kJ能量。 1996 法、美两国签署一项加强两国核协作的协议，美国同意帮助原子能与替代能源委员会 (CEA) 建造兆焦耳激光器(Laser Megajoule, LMJ)。原计划建造240束光路，后改为建造176束。 1996 开始进行LMJ装置原型装置LIL装置的建造工作，该装置拥有8路光束。2002年，该装置首次出光，于2014年完成最后一次试验并关闭。 1997 美国国家点火装置 (NIF) 开始建造。 2002 英国完成具有10路光束的Vulcan装置的升级。升级后的Vulcan装置能够以拍瓦级运行。这次升级的一个重要原因是LLNL决定关闭Nova装置，以便集中力量建造NIF。经过与美国能源部的商讨，美国将价值100万英镑的米级尺寸的光学元件以及建造拍瓦装置所需的其他设备交给英国，以换取在Vulcan装置上一定的实验时间。目前，Vulcan装置是以拍瓦级运行时间最长的用户装置。 2003 2月，美国国会批准1300万美元，开始建造Omega EP激光装置。该装置于2008年5月建造完成，输出脉宽为1ps时，峰值功率可达到1PW。Omega EP的输出即可以加载到Omega EP的靶室上，也可以加载到Omega装置的靶室上。 2003 LMJ装置于法国南部波尔多市的阿基坦科技研究中心破土动工。2008年，开始试运行。之后法国又为LMJ装置增加了PETAL (ICF PETawatt Aquitaine Laser), 是一路短脉冲(500fs~10ps), 超高功率(1~7PW),高能 (1~3.5kJ) 光束。
图15 LMJ 装置激光器系统的主要组成部分
图16 PETAL与LMJ装置示意图 2003 日本Gekko-Ⅻ装置开始以拍瓦级运行，该装置是亚洲第一台拍瓦级激光装置，为二倍频激光装置，主要用于进行快点火研究。 2003 4月，日本大阪大学激光工程研究所启动了“快点火实现实验 (FIREX)”项目的LFEX激光器 (Laser for Fusion Experiment) 建造工作，该装置建在Gekko-Ⅻ旁边，目的是利用Gekko-Ⅻ压缩激光，利用LFEX加热激光，从而达到加热温度 (10keV)。
图17 LFEX装置和 Gekko-Ⅻ装置 2006 10个国家和地区的30个科研机构联合向欧盟提出的极端光设施 (Extreme Light Infrastructure,简称ELI) 计划。 2009 3月，NIF成为世界上第一台突破1MJ门槛的激光装置。
图18 NIF靶室 2009 6月，NIF正式投入使用，建造共耗资35亿美元。 2012 俄罗斯开始建造UFL-2M装置，该装置为二倍频装置，计划建造192路，将用于高能量密度物理和能源领域的研究。
图19 Iskra-5装置、Luch装置、UFL-2M装置鸟瞰图 2013 4月，英国Orion装置建成，该装置拥有短脉冲拍瓦束，峰值功率可达到1PW。 2015 法国Apollon装置建成，预计后期峰值功率达5PW。 2018 6月，NIF激光装置成功产生了2.15MJ的能量和500万亿瓦的峰值功率，比NIF激光能量设计指标1.8MJ高15%。
2019 3月，罗马尼亚的极端光基础设施——核物理装置 (ELI-NP) 产生了第一个10PW峰值功率水平的脉冲，其性能达到了前所未有的水平。
图20 ELI-NP分布图
本 文 作 者 中国工程物理研究院激光聚变研究中心信息中心 张 可，王 云，唐道润，程 功，张惠鸽 |
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