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相信我们小时候都玩过放大镜。
这么一块小小的透镜，就足以聚焦阳光将火柴点燃。
图源：ctlives.com
那么请想象一下，如果是用一块足球场那么大的放大镜，能够产生多高的温度呢？
几千度？几万度？
不，是上百万度都不止！
我知道，这温度已经远远突破了大家的想象力。但是，更让人想不到的是，我们已经实现了这样的高能量聚集！
01
巨型放大镜
由中国科学院、中国工程物理研究院研制，建在中科院上海光机所的“神光II号”巨型激光器，就是由成百台光学设备集成在一个足球场大小的空间内的。
当他的8束强激光通过放大链聚集到一个小小的燃料靶球时，在十亿分之一秒的超短瞬间内发射出的激光功率，是全球电网电力总和的数倍，这是相当于太阳燃烧的能量，足以引发聚变反应。
神光II
图源：sohu.com
神光是高功率的脉冲激光器，非常强的激光被压缩在非常短的时间内输出。
我们可能第一时间会想到，这么强的光是不是用来做激光武器？
不是的，神光II最为重要的目的是解决能源问题，即可控核聚变。
02
惯性约束核聚变
要了解可控核聚变，首先我们得清楚原子的变化反应是怎么一回事。
原子的变化反应有两种，一个以原子弹为标志的核裂变，另一个就是以氢弹为标志的核聚变。
核聚变就是两个质量较轻的原子核，在极端高温高压高密度的条件下，融合成一个较重的原子核的过程。
而在此过程中，会有一点点的质量亏损，根据爱因斯坦的质能方程，这一点点的质量乘以光速的平方，就能释放出来巨大的能量。
氢弹的爆炸，需要原子弹的爆炸作为扳机，以此产生瞬间的高温高压高密度条件，进而达到聚变的临界条件。
但我们如果想温和地利用核聚变，总不能到处引爆原子弹吧？所以，现在的问题就变成了，有什么方法能够让人类安全地“驯服”核聚变。
实现核聚变的方法，又有两种：
一种是以强磁场约束托卡马克聚变装置为代表的磁约束法；
一种是以激光惯性约束核聚变“点火”装置的惯性约束法。
随着激光技术的发展，前苏联科学家巴索夫教授在1963年、中国科学家王淦昌院士在1964年分别独立地提出了利用激光打在聚变燃料靶上来实现受控热核反应的构想，由此开辟了实现受控热核聚变反应的重要途径——激光惯性约束聚变。
不同于采用强磁场约束的托卡马克装置，激光惯性约束聚变装置是利用功率巨大的激光照射到靶上，将燃料向内压缩。靶材料形成的等离子体，由于自身惯性还来不及向四周飞散就被加热到极高温度并发生聚变反应。
图源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/56773505
如上图所示，其典型的整个反应过程主要分四个阶段：
靶丸表面吸收激光束能量，在靶丸表面形成等离子烧蚀层；
靶丸表面物质向外喷射，同时产生反作用力，使燃料向心压缩；
通过向心聚爆过程，燃料达到高温高密度状态；
燃料发生聚变反应，最终向外释放出巨大能量。
因为靶丸一般都很小，和黄豆大小相等，而大功率多束激光装置则是十足的巨无霸，简直就是一大群高射炮打蚊子。
因此，激光核聚变过程的关键就是，如何通过巧妙的设计和布置使得激光束能够瞬间照射在靶丸上。
03
神光II激光器的构成
神光II激光器，正是能够实现将强光照射到靶丸上的装置。
神光Ⅱ装置是国内首个集物理理论、诊断、制靶、物理实验和驱动器五位一体的综合性激光惯性约束核聚变（ICF）研究平台，也是我国在其后相当长的一段时间内进行聚变研究的核心平台之一，其基本物理目标是推动我国ICF研究；其近中期目标是在腔靶物理、内爆动力学、辐射输运、状态方程和X射线激光等方面做出前沿探索，满足基础研究与国防安全建设需求；其远期目标是为实现清洁聚变能源这一满足人类未来能源需求的终极目标做出贡献。
中国激光大科学装置：神光Ⅱ高功率激光装置
图源：sohu.com
神光II激光器的结构如下：
图源：参考文献2
前端激光分系统：主要功能是提供可整形的1ns的较长脉冲与另一种0.1ns（100ps）的较短脉冲，作为工程总体两种脉冲工作模式的种子源，并实现多路激光高精度同步控制。
预放大器分系统：主要功能是提供整个放大链路的大部分增益，实现信号脉冲能量108倍的放大，采用的是经典的MOPA结构。
主激光放大器分系统：主要功能是实现8~10倍能量增益，提供全放大链路80%的激光能量。该分系统的主要特色包括：“四束合一”的新型列阵式光路构型、国内首次采用的多程放大构型、8路主放大器输出能量与波形平衡。
新型列阵式光路构型将８路激光等分为２个集成束组，每个束组包含一套2×2列阵式同轴双程放大器和一套2×2列阵式空间滤波器，每个空间滤波器 的长度为25m、口径为0.8m。该类构型普遍为神光Ⅱ升级装置以及神光Ⅲ装置等激光驱动器采用。
新型激光传输列阵式空间滤波器结构图
图源：参考文献2
终端光学分系统：包含靶场系统、频率转换系统和传输聚焦组件三个主要的功能单元，适应于激光驱动器功能拓展，神光Ⅱ装置在国内首次设计并采用的双靶室构型，包括ICF靶室与XRL靶室，普遍为其后研制的驱动器终端靶场采用。
ICF靶室为直径为1600mm的不锈钢球体，包括靶架安装孔、诊断孔、观察孔、安装孔等共计125个窗口。
XRL靶室为内径为1200mm、长度为2770mm的圆柱形结构，是一个多功能型靶室，光束经过不同光学系统后可形成的线聚焦可用于XRL及其应用，也可以形成较大辐照面积的靶面均匀照明，以开展高压状态方程等物理研究。
04
神光II的先进技术
神光Ⅱ装置在研制过程中，独立自主地解决了一系列技术难题，创新集成了一系列新技术。主要包括：
创新设计并研制成功的无开关同轴双程片状主放大器，在国际上首次投入运行；
在同轴双程主放中创新开拓的带滤波孔小园屏技术，解决了主放大器输出能力问题；
首创调Q型损耗调制单纵模激光振荡器核心新技术，在神光Ⅱ运行中获得国际同行瞩目的高稳定输出；
创新型高稳定性冷阴极闸流管控制的时空变换激光脉冲整形技术；
为解决激光靶精密瞄准问题独立发明的基频和三倍频严格同轴的高精度ICF靶场模拟光技术；
解决高均匀度线聚焦的凸柱面透镜列阵创新设计工作；
最新开拓的高激光破坏阈值介质膜平顶超高斯锯齿软边光栏技术；
化学法制做有特色的高激光破坏阈值三倍频晶体表面防潮增透膜技术；
高效快速自动准直技术，解决了激光装置全系统高精度自动准直、瞄准的关键等。
05
社会与经济效益
神光Ⅱ装置的研制不仅为即将建造的下一代激光装置提供极为宝贵的科学技术经验，而且带动了我国材料科学(激光玻璃、激光晶体、非线性晶体)、精密光学加工与检验(λ/10高平面度、低粗糙度、大口径光学元件研磨技术、金刚石车床飞刀切削大口径KDP晶体技术)、介质膜和化学膜层技术、高质量大口径氙灯工艺、精密机械和装校工艺及高压电能源系统、快速电子学、控制电子学、二元光学技术等相关学科或技术的跨越式发展。而这些相关学科技术在国民经济中的应用前景将是相当可观的。
（a）大口径钕玻璃工作物质
（b）大口径体吸收激光能量计
图源：参考文献2
神光Ⅱ装置的建成并投入运行，在我国的激光及光学界还具有特殊重要的意义。它标志着我国已具备研制高质量、更大型激光驱动器的综合能力，并将继续为我国的战略能源、惯性约束聚变、X光激光和高能量密度物理等前沿基础研究提供可靠的实验手段，具有潜在的经济效益和重大的社会效益。
参考文献
[1] 惯性约束核聚变，或许是人类利用核能的另一种可能 - 知乎 (zhihu.com)
[2] 朱健强,陈绍和,郑玉霞,等.神光Ⅱ激光装置研制[J].中国激光,2019,46(01):15-22.
[3] 林尊琪.激光核聚变的发展[J].中国激光,2010,37(09):2202-2207.
[4] 神光II高功率激光实验装置研制.
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