中国的超级项目：  

“神光”计划——惯性约束核聚变激光驱动装置

工程总投资：—不详         

工程期限：1980年——2030年

“神光”高能激光系统的球形真空靶室和光学设备。

     “激光”一词是“LASER”的意译。LASER原是Light amplification by stimulated emissi on of radiation取字头组合而成的专门名词，在我国曾被翻译成“莱塞”、“光激射器” 、“光受激辐射放大器”等。1964年，钱学森院士提议取名为“激光”，既反映了“受激辐射”的科学内涵，又表明它是一种很强烈的新光源，贴切、传神而又简洁，得到我国科学界的一致认同并沿用至今。

    世界第一台激光器问世是在1960年6月,中国第一台激光器是在1961年9月。从1961年中国第一台激光器宣布研制成功至今，我国形成了门类齐全、水平先进、应用广泛的激光科技领域，并在产业化上取得可喜进步，可以说，在起步阶段我国的激光技术发展迅速，无论是数量还是质量，都和当时国际水平接近，一项创新性技术能够如此迅速赶上世界先进行列，在我国近代科技发展史上并不多见。这些成绩的取得，尤其是能够把物理设想、技术方案顺利地转化成实际激光器件，主要得力于我国多年来在技术光学、精密机械和电子技术方面积累的综合能力和坚实基础。

上海光机所

 我国早期激光技术的发展

　　1957年，王大珩等在长春建立了我国第一所光学专业研究所——中国科学院长春光学精密仪器机械研究所（简称“长春光机所”）。在老一辈专家带领下，一批青年科技工作者迅速成长，邓锡铭是其中的突出代表。早在1958年美国物理学家肖洛、汤斯关于激光原理的著名论文发表不久，他便积极倡导开展这项新技术研究，在短时间内凝聚了富有创新精神的中青年研究队伍，提出了大量提高光源亮度、单位色性、相干性的设想和实验方案。1960年世界第一台激光器问世。1961年夏，在王之江主持下，我国第一台红宝石激光器研制成功。此后短短几年内，激光技术迅速发展，产生了一批先进成果。各种类型的固体、气体、半导体和化学激光器相继研制成功。在基础研究和关键技术方面、一系列新概念、新方法和新技术（如腔的Q突变及转镜调Q、行波放大、铼系离子的利用、自由电子振荡辐射等）纷纷提出并获得实施，其中不少具有独创性。

我国各类激光器的“第一台”

第一台固体红宝石激光器 1961年9月 王之江等

第一台He-Ne激光器  1963年7月  邓锡铭等

第一台掺钕玻璃激光器 1963年6月  干福熹等

第一台GaAs同质结半导体激光器 1963年12月 王守武等

第一台脉冲Ar+激光器 1964年10月  万重怡等

第一台CO2分子激光器 1965年9月  王润文等

第一台CH3I化学激光器 1966年3月  邓锡铭等

第一台YAG激光器    1966年7月  屈乾华等

激光技术的发展

    中国激光科技从一开始就得到了国家的高度重视。1964年，中国科学院上海光学精密机械研究所（简称“上海光机所”）成立。1964年国家启动“6403”高能钕玻璃激光系统，建成了具有工程规模的大口径（120毫米）振荡—放大型激光系统，最大输出能量达32万焦耳；改善光束质量后达3万焦耳。成功地进行了打靶实验，室内10米处击穿80毫米铝靶，室外2公里距离击穿0.2毫米铝耙，并系统地研究了强激光辐射的生物效应和材料破坏机理。最后从技术上判定热效应是根本性技术障碍，于1976年下马。这一项目使我国激光技术科研水平上了一个台阶。

       中国核科学奠基人——王淦昌院士，和中国应用光学奠基人——王大珩院士

高功率激光和核聚变研究

1964年王淦昌独立提出激光聚变倡议，1965年立项开始研究。经几年努力，建成了输出功率100亿瓦的纳秒级激光装置，并于1973年5月首次在低温固氘靶、常温氘化锂靶和氘化聚乙烯上打出中子。1974年研制成功我国第一台多程片状放大器，把激光输出功率提高了10倍，中子产额增加了一个量级。在国际上向心压缩原理解密后，积极跟踪并于1976年研制成六束激光系统，对充气玻壳靶照射，获得了近百倍的体压缩。这一系列的重大突破，使我国的激光聚变研究进入世界先进行列，也为以后长期的持续发展奠定了基础。我国的激光科技事业，虽然也遭遇了“文革”十年浩劫，但借助于重点项目的支撑，仍艰难地生存了下来并取得了可贵的进展。

改革开放后，我国激光技术获得了空前发展的机遇。1980年5月，分别在上海、北京举行了第一次国际激光会议，与会代表218人（国外66人），邓小平同志亲切接见了与会中外代表。1983年在广州和1986年在厦门又举行了第二次、第三次国际会议，改变了我国的激光技术多年来封闭运转的局面，开始走向世界。先后成立了一批国家重点实验室、开放实验室、国家工程研究中心和产学研组织。在多项国家级战略性科技计划中，激光技术受到重视。“863”计划七大领域中有激光技术和光电子技术（包括用于信息领域的激光技术），1995年又增列了“惯性约束聚变”主题。国防预研光电子技术作为跨部门项目正式立项，其中也包括激光技术。国家“六五”和“七五”攻关计划，激光技术被列为重大项目。

惯性约束聚变激光驱动器

   人类的能源从根本上说来自核聚变反应，即发生在太阳上的“轻核聚变”。人类已经在地球上实现了不可控的热核反应，即氢弹爆炸。要获得取之不尽的新能源，必须使这一反应在可控条件下持续地进行。为实现可控核聚变有两种方法，一是科学家们用托卡马克装置开展“磁约束聚变”的研究。另一条技术路线于20世纪60年代初提出的“激光惯性约束核聚变”。

   惯性约束核聚变( Inertial Confined Fusion ICF ）的基本原理是：使用强大的脉冲激光束照射氘、氚燃料的微型靶丸上，在瞬间产生极高的高温和极大的压力，被高度压缩的稠密等离子体在扩散之前，向外喷射而产生向内聚心的反冲力，将靶丸物质压缩至高密度和热核燃烧所需的高温，并维持一定的约束时间，完成全部核聚变反应，释放出大量的聚变能。然而聚变反应所要求的条件却极为苛刻。首先要有1亿度左右的高温；其次，参与反应的粒子密度要足够高并能维持一定的反应时间，即‘nτ’值要达到1百万亿（秒/厘米3）以上，这就是著名的劳逊判据。一些国家的实验室已经在这类激光装置上作了大量的基础研究工作。美国、法国等已着手建造更大规模的巨型激光器，期望能够实现激光热核“点火”。

  我国从上世纪60年代即开始惯性约束聚变的研究，在王淦昌、王大珩的指导下，中国科学院和中国工程物理研究院从80年代开始联合攻关，上海光机和长春光机都是协作单位。六十年代初，我国激光聚变研究刚刚起步的时候，钱学森院士就形像地指出：你们的事业是在地球上人造一个小太阳！ICF研究中关键设备是大功率的激光器。

  神光I的主放大系统

神光-Ⅰ

   1964年,我国著名核物理学家王淦昌院士独立地提出激光聚变思想,并建议了具体方案. 按照这一创议,在我国第一个激光专业研究所-中国科学院上海光机所开始了高功率激光驱动器的研制和应用并于 1971年获得氘-氘碰撞中子. 1978年中国工程物理研究院和中国科学院携手合作, ICF研究进入了全面发展的新阶段。近廿年来, 致力于研制和应用钕玻璃激光驱动器 -“神光”系列装置, 取得了显著进展, 推动了我国惯性约束聚变实验和理论研究, 并在国际上占有一席之地。

  1977年，上海光机所利用1千亿瓦的6束激光系统装置，对充气玻壳靶照射获得了近百倍的体压缩。使我国的激光聚变研究进入了逐级论证向心聚爆原理的重要发展阶段，为以后长期的持续发展奠定了基础。1980年，王淦昌提出建造脉冲功率为1万亿瓦固体激光装置的建议，称为激光12号实验装置(神光I)。激光12号实验装置是建立在中国科学院上海光机所的一台大型高功率激光实验装置，位于上海市嘉定区清河路390号光机所内，1983年由上海光机所设计，总建筑面积4612平方米，为4层钢筋混凝土框架结构，总高度15米。该装置输出两束口径为200mm的强光束，每束激光的峰功率达1万亿瓦，脉冲宽度有1ns和100ps两种，波长为1.053μm的红外光，可倍频到0.53μm绿光。实验室内配有物理实验靶室及全套诊断测量设备，能开展激光加热与压缩等离子物理现象的研究和激光X光谱等基础研究工作。

  1985年7月，激光12号装置按时建成并投入试运行。试运行中成功地进行了三轮激光打靶试验，取得了很有价值的结果，达到了预期目标。该装置是中国规模最大的高功率钕玻璃激光装置，在国际上也是为数不多的大型激光工程。它由激光器系统、靶场系统、测量诊断系统和实验环境工程系统组成。输出激光总功率达1万亿瓦量级，而激光时间只有一秒钟的十亿分之一到百亿分之一。可用透镜聚焦到50毫微米的尺寸上，能产生10万亿亿瓦/厘米2的功率密度。将这样的光束聚焦在物质的表面，可以产生上千万度的高温，并由此产生强大的冲击波和反冲击压力。该装置的高精度靶场系统，能适应0.1毫米量级的微球靶、黑洞靶、台阶靶、各类X光靶等多种靶型的实验需要，并具有单束、双束及两路并束激光打靶的功能，为进行激光核聚变新能源研究及其他多种物理研究得供了重要实验手段。1987年6月通过国家级的鉴定。

 它的建成为进行世界前沿领域的激光物理试验提供了有利的手段，对尖端科研和国民经济建设均具有重要意义。1986年夏天，张爱萍将军为激光12号实验装置亲笔题词“神光”。于是，该装置正式命名为神光-Ⅰ。1989年起，神光I直接驱动获5000000中子产额，间接驱动获10000中子产额，冲击波压强达0.8TPa，获近衍射极限类氖锗X光激光增益饱和。1990年，神光I获得国家科技进步奖一等奖。

                                神光-Ⅱ装置的球形真空靶室

神光-Ⅱ

    1993年，国家“863”计划确立了惯性约束聚变主题，进一步推动了国家惯性约束聚变研究和高功率激光技术的发展。1994年，神光-Ⅰ退役。神光-Ⅰ连续运行8年，在激光惯性约束核聚变和X射线激光等前沿领域取得了一批国际一流水平的物理成果。1994年5月18日，神光Ⅱ装置立项，工程正式启动，规模比神光-Ⅰ装置扩大4倍。

    神光Ⅱ装置采用了国产高性能元器件，独立自主解决了一系列的科学技术难题，达到国际最先进的高功率固体激光驱动器水平，实现我国这一领域新的跨越。该系统由激光器系统、靶场系统、能源系统、光路自动准直系统、激光参数测量系统以及环境、质量保障等系统组成，集成了数百台套的各类激光单元或组件，在空间排成8路激光放大链，技术参数与当今世界上最先进的在运行的美国OMEGA装置相当。2000年，神光Ⅱ装置8路基频功率达到8万亿瓦，开始试运行打靶。2000年起，直接驱动获40亿中子产额，间接驱动获1亿中子产额，直接驱动冲击波压强达1.5TPa，间接驱动冲击波压强达3.7TPa。2001年8月，神光Ⅱ装置建成，总输出能量达到6千焦耳／纳秒，或8万亿瓦／100皮秒，总体性能达到国际同类装置的先进水平。

   “神光Ⅱ”的数百台光学设备集成在一个足球场大小的空间内。神光Ⅱ能同步发射8束激光，在约150米的光程内逐级放大：每束激光的口径能从5毫米扩为近240毫米，输出能量从几十个微焦耳增至750焦耳/束。当8束强激光通过空间立体排布的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可发射出相当于全球电网电力总和数倍的强大功率，从而释放出极端压力和高温，辐照充满热核燃料气体的玻璃球壳，急速压缩燃料气体，使它瞬间达到极高的密度和温度，从而引发热核聚变。神光Ⅱ已实现“全光路自动准值定位”，实验中能及时纠正因震动和温度变化而带来的仪器微偏，使输出激光经聚焦后可精确穿过一个约0.3毫米的小孔，仅比一根头发丝略粗一点。

    判断超短超强激光系统的性能有两个重要技术指标：一是时间尺度，二是输出功率。2004年4月，神光Ⅱ装置成功突破100万亿瓦大关，输出峰值功率达到120万亿/36飞秒。目前，国际上只有少数发达国家的著名实验钛宝石激光装置输出功率超过100万亿瓦。这意味着神光Ⅱ在1000万亿分之36秒的超短瞬间内，迸发出相当于全球电网发电总和数十倍的强大功率。这种极端物理条件，自然界中只有在核爆中心、恒星内部和宇宙黑洞边缘才能存在。上海光机所强光光学重点实验室科技人员屡屡刷新这两大指标，在不到１０平方米的光学平台上创造出一次又一次“更快更强”的奇迹。2006年4月13日，神光Ⅱ装置新添的第9束激光输出能量打破纪录，较此前提高了5.8倍，第9路光束口径，由前8路的每束190毫米增至310毫米，单路能量输出达5100焦耳，离为核聚变“点火”更近一步。

                                      神光Ⅱ的主放大系统

   截至2006年，神光Ⅱ装置已经累计提供运行打靶3000多发次。开展了惯性约束聚变、X光激光等研究约30轮物理实验，获得具有十分重要意义的结果。其中激光惯性约束直接驱动打靶，获得单发40亿中子，是国际同类装置获中子产额的最好水平。开展的物理实验为我国ICF研究做出了重大贡献，标志着我国激光惯性约束实验已经真正跃上了一个短波长、大功率激光打靶的新阶段，对提高综合国力具有重要意义。

国产450mm×500mm×1000mm大KDP晶体，大口径磷酸二氢钾(KDP)晶体是唯一可用作激光约束核聚变中Pockels盒和倍频器件的晶体材料，但是KDP晶体本身具有质软、易潮解、脆性高、对温度变化敏感、易开裂等一系列不利于光学加工的特点，也是ICF光学元件制造中公认的最困难的环节。

神光-Ⅲ

  1995年，激光惯性约束核聚变在“863计划”中立项，我国科研人员开始研制跨世纪的巨型激光驱动器——“神光-Ⅲ”装置，计划建成十万焦耳级的激光装置。2007年2月4日，中物院神光Ⅲ激光装置实验室工程举行了盛大的开工奠基仪式。该工程位于绵阳中国工程物理研究院内，建筑面积28154m2，平面布置：呈长方形布置，建筑物总长178m，总宽75m，建筑结构十分复杂。规划中的“神光-Ⅲ”装置是一个巨型的激光系统，比当前世界最大的NOVA装置还要大一倍多。原计划它具有60束强光束,紫外激光能量达60KJ,质量和精密性要达到廿一世纪的国际先进水平，现在该计划可能已经进一步修改，以提高能量规模。惯性约束聚变点火工程（2020年）被已确定为《国家中长期科学和技术发展规划》的十六项重大专项之一。 

  目前，神光-Ⅲ原型装置“十五”建设目标已圆满完成，达到“8束出光，脉冲-万焦耳”的水平，标志着我国成为继美、法后世界上第三个系统掌握新一代高功率激光驱动器总体技术的国家，使我国成为继美国之后世界上第二个具备独立研究、建设新一代高功率激光驱动器能力的国家。

  神光Ⅲ装置是世纪之交我国历史上光学领域最宏伟的科学工程，必将全面带动相关科学技术攀登世界水平，是我国综合国力在科技领域的标志性体现，其作用和意义不亚于当年的“两弹”。这是挑战也是机遇，在王淦昌、王大珩、于敏等老一辈科学家带领下，已奋斗了三十多年,取得瞩目成果，而这只不过是序幕，需要几代人的不懈努力。根据规划，我国在2010年前后还将研制“神光IV”核聚变点火装置。

2008年11月16日晚，中央电视台新闻联播曝光了中国工程物理研究院的惯性约束核聚变激光驱动装置原型。

光学百年论战与光量子假说

  太阳辐射给地球带来了光和热，也让生命焕发了活力。早在两三千年前的古代，就有人对光学进行研究，那么“光”到底是什么呢？数千年来科学家们一直为这个问题争论不休。古希腊人曾认为光是从人的眼睛里发射出去的东西，当它到达某样事物的时候，就被我们看见了。1655年，意大利数学家格里马第通过实验提出，光可能是一种类似水波的流体，光的不同颜色是波动频率不同的结果。英国物理学家胡克，在1665年出版的《显微术》一书中明确支持光的“波动说”。1666年，牛顿用三棱镜做分光实验，把白光分解为从红到紫的七种色光。此后他提出光的“微粒说”，认为光是由一颗颗微粒组成的粒子流，不同色光是不同的粒子。光的分解就像把不同颜色的颗粒分开来一样。发光物体不断向周围空间发射高速直线飞行的光粒子流，一旦光粒子进入人的眼睛，冲击视网膜，就引起了视觉。牛顿用微粒说解释了光的折射、反射等现象，但是用微粒说解释光的衍射等现象却有点麻烦。胡克和牛顿为此展开了激烈争论。1678年，荷兰科学家惠更斯进一步发展了光的波动学说。他认为光是一种机械波，由发光物体振动引起，依靠一种叫做“以太”的弹性媒质来传播脉冲。“以太”是古希腊时期就想象出来的一种物质。假设它无处不在，充满宇宙空间，因此光线可以在真空环境中传播。惠更斯用以太波动说解释了各种光学现象。

    牛顿的“微粒说”与惠更斯的“波动说”构成了关于光的两大基本学说，并由此产生了激烈的争论。众多科学家就光是波还是微粒这一问题，展开了一场长达两百多年的拉锯战。因牛顿在学术界的巨大影响力，“微粒说”一直占据着主导地位。进入19世纪后，形势开始逆转。多位科学家通过实验，证明光具有波动性。1865年，英国物理学家麦克斯韦通过对电磁现象的研究，建立了电磁学，并将光和电磁现象统一起来，计算出电磁波的传播速度和光速相等。他认为光就是电磁波（电磁波动说），肉眼看到的光只是一种特定频率的电磁波。1887年，德国科学家赫兹在实验后，也认同了麦克斯韦的推断。各种电磁波的反射、衍射和干涉实验，进一步证实了电磁波和光波的一致性。波动学说的胜利也是以太学说的胜利。在19世纪末，物理学界普遍认为“以太”是电、磁、光现象的共同载体。

    然而1887年底，美国物理学家迈克尔逊和莫雷，使用高精度的迈克尔逊干涉仪，测量以太的漂移速度。实验结果发现“以太”可能根本就不存在，这一结果引起科学界震惊。多位科学家做了一系列实验，都没有发现以太。这就如同经典物理学圣殿失去了地基。同时，赫兹发现铜质小球在紫外线照射下，会从金属表面释放出带电粒子，这种现象称为光电效应。大量的实验表明，微弱的紫外线能从金属表面打出电子，而很强的红外线却不能打出电子，就是说光电效应的产生只取决于光的频率，而与光的强度无关。这个现象用光的波动说是解释不了的。因为电磁理论认为光是一种电磁波，它的能量是连续的，和光波的强度（即振幅）有关，而和光的频率（即颜色）无关，而事实却与此相反。如果把光看成是由粒子组成的能量流，却可以解释光电效应。

    1900年，德国物理学家普朗克在研究热辐射的过程中，提出了能量量子化假说。根据这一假说，在光波的发射和吸收过程中，发射体和吸收体的能量变化是不连续的，能量值只能取某个最小能量元的整数倍，这一最小能量元被称为“能量子”。1905年，还在瑞士伯尔尼专利局工作的爱因斯坦博士，接连发表了5篇影响深远的论文，解决了困扰当时物理学界的一些最重要的难题，改变了我们对时间、空间、物质和光的看法。其中第一篇就是《关于光的产生和转变的一个启发性观点》，文中提出光量子假说和光电效应的基本定律。在传统的物理理论中，物体是由一个一个原子组成的，是不连续的，而光（电磁波）却是连续的。光波的连续性和原子的不连续性之间有着深刻的矛盾。为了解释光电效应，爱因斯坦在普朗克能量子假说的基础上提出了“光量子”假说。爱因斯坦认为，能量子概念不只是在光波的发射和吸收时才有意义，光波本身就是由一个个不连续的、不可分割的能量量子所组成的。

    爱因斯坦大胆假设：光是由一颗颗粒子组成的粒子流，粒子以光速运动。他把这种粒子叫做“光量子”。每个光量子的能量要达到一定数值才能克服电子的逸出功，从金属表面打出电子来。微弱的紫外线虽然数目比较少，但是每个光量子的能量足够大，所以能从金属表面打出电子来；很强的红外线，光量子的数目虽然很多，但每个光量子的能量不够大，不足以克服电子的逸出动，所以不能打出电子来。光量子论复活了光的“微粒说”，但爱因斯坦并没有抛弃光的波动说。他认为光既有波动性又有粒子性，也就是说光具有波粒二象性。

    爱因斯坦提出的光量子假说，遭到科学界的长期反对，当时普遍被接受的是光的电磁波动说。美国物理学家密立根曾花费十年时间去做光电效应实验。最初他不相信光量子理论，企图以实验来否定它，但实验的结果却同他最初的愿望相反。1915年密立根宣告，他的实验证实了爱因斯坦光电效应公式。由于遭到各种势力的攻击，直至1922年，瑞典皇家科学院才将1921年度的诺贝尔物理学奖，补发给了爱因斯坦。获奖理由也仅仅限制在他成功解释了光电效应，而不是相对论。1923年美国物理学家康普顿成功地用光量子概念，解释了X光被物质散射时波长变化的康普顿效应。它进一步证实了爱因斯坦的光子理论，揭示出光的波粒二象性，从而使光量子概念被广泛接受和应用。光量子理论带动理论物理和实验在多个领域的重大进展，例如：激光、量子场论、量子光学、量子计算、玻色-爱因斯坦凝聚等。1926年，美国化学家路易斯把光量子改名为光子（photon）。

    以现有理论，光是原子或分子内的电子运动状态改变时所发出的电磁波。光子是电磁辐射的载体，它有速度、能量、动量、质量，在真空中的传播速度是光速。光子的静止质量严格为零，由于光子无法静止，所以它没有静止质量，这儿的质量是光子的相对论质量。光子具有波粒二象性：衍射现象证明光子具有波动性，光电效应证明光子具有粒子性。对可见光而言，单个光子携带的能量约为4×10-19焦耳，这样大小的能量足以激发起眼睛上感光细胞的一个分子，从而引起视觉。一个光子能量的多少与波长相关，波长越短，能量越高。光的颜色取决于光的波长。

    从广义上说：光是波长比电波短，频率比电波高的电磁波的总称。人类肉眼所能看到的可见光只是整个电磁波谱中很小的一部分，波长为0.39-0.77微米。波长0.77-1000微米的电磁波，称为“红外线”。波长0.39-0.01微米的电磁波，称“紫外线”。红外线和紫外线不能引起视觉，但可以用光学仪器或摄影方法去量度和探测。所以在光学中，光的概念也可以延伸到红外线和紫外线，甚至X射线（波长0.001-10纳米）领域。波长更短的还有伽玛射线（波长＜0.001纳米）和宇宙射线，它们都带有极高的能量。波长0.1毫米至1米的电磁波称为微波（包括亚毫米波、毫米波、厘米波、分米波），1-10米称为超短波（米波），10-100米称为短波，100-1000米称为中波，1-10公里称为长波，10-100公里称为甚长波，100公里以上称为极长波。微波多用于手机、雷达、微波炉等设备。超短波至极长波多用于各类通讯设施。理论上，电磁波的波长不存在下限和上限，可达无穷短以及无穷长。这就形成了完整的电磁波谱。

    这是世界上独一无二的照片。1927年10月第五届索尔维会议在比利时首都布鲁塞尔召开，会议主题为“电子和光子”。当时世界上最著名的科学家齐集一堂，讨论重新阐明的量子理论。这次会议上爆发了“玻尔-爱因斯坦论战”——爱因斯坦以“上帝不会掷骰子”的观点反对海森堡的测不准原理，而玻尔反驳道，“爱因斯坦，不要告诉上帝怎么做”。参加这次会议的29人中有17人成为诺贝尔奖获得者。索尔维是比利时化学家和企业家，依靠索尔维制碱法发了大财。由他冠名出资，召开了这场世界最高水平的学术会议。这张照片摄于摄于国际索尔维物理研究所，摄影师为本杰明库普利。

    照片第一排左起：1伊文·朗缪尔（美国科学家，1932年诺贝尔化学奖）；2马克斯·普朗克（德国物理学家，量子论的奠基人，1918年诺贝尔物理学奖）；3居里夫人（法国科学家，第一位两次获得诺贝尔奖的人）；4洛仑兹（荷兰科学家，创立经典电子论，1902年诺贝尔物理学奖）；5爱因斯坦（德裔美国物理学家，现代物理学的奠基人）；6保罗·朗之万（法国物理学家，推动中国物理学会的成立）；7Ch. E. Guye；8查尔斯·威尔逊（英国科学家，1927年诺贝尔物理学奖）；9欧文·里查森（英国科学家，热离子学创始人，1928年诺贝尔物理学奖）。

    照片第二排左起：1彼得·德拜（美国科学家，1936年诺贝尔化学奖）；2马丁·努森；3威廉·布拉格（英国物理学家，现代固体物理学奠基人，1915年诺贝尔物理学奖）；4亨德里克·克拉默斯（荷兰物理学家）；5保罗·狄拉克（英国物理学家，量子力学的奠基人之一，1933年诺贝尔物理学奖）；6亚瑟·康普顿（美国物理学奖，1927年诺贝尔物理学奖）；7路易·德布罗意（法国物理学家，物质波理论的创立者，1929年诺贝尔物理学奖，朗之万的学生）；8马克斯·玻恩（德国物理学家，1954年诺贝尔物理学奖）9尼尔斯·玻尔（丹麦物理学家，哥本哈根学派的创始人，1922年诺贝尔物理学奖）。

    照片第三排左起：1奥古斯特·皮卡尔德（瑞士物理学家兼探险家，第一个乘热气球到达平流层的人）；2埃米尔·亨里奥特（法国化学家，居里夫人的学生）；3保罗·埃伦费斯特（荷兰物理学奖）；4Ed.赫尔岑；5T.de.Donder（德唐德，比利时热化学家）；6埃尔温·薛定谔（奥地利物理学家，概率量子力学—波动力学的创始人，1933年诺贝尔物理学奖）；7埃米尔·费尔沙费尔特（比利时物理学家）；8沃尔夫冈·泡利（美籍奥地利科学家，1945年诺贝尔物理学奖）；9沃纳·海森堡（德国物理学奖，量子力学创始人之一，1932年诺贝尔物理学奖）；10拉尔夫·福勒（英国物理学家）；11里昂·布里渊（法国物理学家，美国国家科学院院士）。这是现代物理学群星璀璨的时代，其中几位后来参与了各国的核武器研制计划。

爱因斯坦与激光原理

    普朗克的量子概念，不但对光学产生冲击，同时也带来了原子物理的大发展。1911年，英国物理学家卢瑟福把原子结构和太阳系进行类比，提出了一个原子模型。他认为原子结构像是一个小小的太阳系，中间是原子核，电子分布在原子核周围。原子核带正电，电子带负电，电子围绕原子核不停地旋转（同时也不停地自转，电子自旋由乌伦贝克与哥德斯密特在1925年提出）。原子核体积极其微小，却集中了99.96%以上的原子质量。原子核与电子所携带的正负电荷数量相等，因此对外呈中性。但是根据麦克斯韦的电磁学，卢瑟福原子模型缺乏稳定性：带电荷的原子核与电子之间会放出电磁辐射，导致电子不断失去自己的能量，不得不逐渐缩小运行半径，直到最终“坠毁”在原子核上。

    1912年，卢瑟福的学生，27岁的丹麦物理学家玻尔（N.H.D.Bohr），跳出电磁学的束缚，将普郎克的量子概念，与卢瑟福原子模型结合，提出核外电子分层排布的原子结构模型。1913年，玻尔发表《论原子和分子的构造》，提出了原子定态、量子跃迁等重要概念。他将原子中的电子运动轨道量子化，假设电子只能在特定轨道绕原子核运动，而无法在轨道之间的空白地带自由游荡。不同轨道的电子有不同的动能、势能，这些能量值叫做能级。在正常状态下，原子处于最低能级，这时电子在离核最近的轨道上运动，既不辐射也不吸收能量（电磁波），原子结构处于稳定状态。这种定态叫做基态。当原子受到外界能量（如热能、电能或光能）激发时，其最外层的电子吸收一定频率的电磁波（吸收光子）而跃迁到较高的能级上，此时原子处于激发状态。这种激发态是不稳定的，在极短的时间内（10-8秒），原子便释放一定频率的电磁波（高能级的电子释放光子，回到低能级），恢复到基态。原子吸收和释放的能量，必须正好等于电子两个能级的差。这种能量也就是电磁波的频率，即光的波长。不同原子从激发态还原成基态所释放的能量不同，因此也就形成了原子光谱。（电子沿轨道运动是经典物理的概念，后已被量子力学的几率分布概念所取代，但由于它的直观性，现在仍然经常用轨道这个述语来近似地描述原子内部电子运动的规律性。）

    1916年，爱因斯坦发表《关于辐射的量子理论》。他在玻尔的基础上，提出了“自发和受激辐射”理论，而这正是激光理论的物理学基础。因此爱因斯坦被认为是激光理论之父。在这篇论文中，爱因斯坦将光的吸收和发射，区分为三种过程：受激吸收、自发辐射、受激辐射。受激吸收就是处于基态的原子吸收外界辐射而跃迁到激发态。自发辐射是指激发态的原子自发地辐射出光子并恢复成基态。自发辐射的特点是每一个原子的跃迁是自发的、独立进行的，其过程全无外界的影响，彼此之间也没有关系。因此它们发出的光子的状态是各不相同的。这样的光中，光子与光子之间，毫无关联，即波长不一样、相位不一样，偏振方向不一样、传播方向不一样，相干性差，方向散乱。太阳光、烛光，手电筒、白炽灯、荧光灯或霓虹灯发出的光，甚至萤火虫发光，都属于自发辐射形式。

    而受激辐射则相反，受激辐射是指处于激发态的原子在光子的“刺激”或者“感应”下，恢复成基态，并辐射出一个和入射光子同样频率的光子。这好比清晨公鸡打鸣，一个公鸡叫起来，其他的公鸡受到“刺激”也会发出同样的声音。（实际上，激光的原理就是以可控的方式让这些电子跃迁以相同的相位释放光子。）受激辐射的最大特点是由受激辐射产生的光子与其他光子是关联的，它们的波长一致、相位一致、偏振方向一致、传播方向一致。。激光就好像是一支纪律严明的光子部队。这样，通过一次受激辐射，一个光子变为两个相同的光子。这意味着光被加强了。这正是产生激光的基本过程。当我们创造一种条件，譬如采用适当的媒质、共振腔、足够的外部电场，受激辐射得到放大从而比受激吸收要多，那么总体而言，就会有光子射出，从而产生激光。不过爱因斯坦并没有想到利用受激辐射来实现光的放大。因为根据1898年由奥地利物理学家玻尔兹曼提出的统计分布律，平衡态中低能级的粒子数总比高能级多，靠受激辐射来实现光的放大实际上是不可能的。

    在光和原子的相互作用中，自发辐射、受激辐射和受激吸收总是同时存在的。如果想获得越来越强的光，也就是说产生越来越多的光子，就必须要使受激辐射产生的光子多于受激吸收所吸收的光子。怎样才能做到这一点呢？我们知道，光子对于高低能级的原子是一视同仁的。在光子作用下，高能级原子产生受激辐射的机会，和低能级的原子产生受激吸收的机会是相同的。这样，是否能得到光的放大就取决于高、低能级的原子数量之比。若位于高能级的原子远远多于位于低能级的原子，我们就得到被高度放大的光。但是，在通常热平衡的原子体系中，原子数目按能级的分布服从玻尔兹曼分布律。因此，位于高能级的原子数总是少于低能级的原子数。在这种情况下，为了得到光的放大，必须到非热平衡的体系中去寻找。所谓非热平衡体系，是指热运动并没有达到平衡、整个体系不存在一个恒定温度的原子体系。这种体系的原子数目按能级的分布不服从玻尔兹曼分布率，位于高能级上的原子数目有可能大于位于低能级上的原子数目。这种状态称为“粒子数反转”。

    如何才能达到粒子数反转状态呢？这需要利用激活媒质。所谓激活媒质（也称为放大媒质或放大介质），就是可以使某两个能级间呈现粒子数反转的物质。它可以是气体，也可以是固体或液体。用二能级的系统来做激活媒质实现粒子数反转是不可能的。要想获得粒子数反转，必须使用多能级系统。在现代的激光器中，第一台激光器红宝石激光器是三能级系统，也有一些激光器采用了四能级系统，如钕玻璃激光器。

     虽然是西奥多·梅曼（图片左上角）研制出了第一台激光器，但是还有许多人也取得了成绩，包括（顺时针从梅曼起）苏联人尼古拉巴索夫（Nikolai Basov），美国发明家戈登·古尔德（Gordon Gould，双人照右侧），阿瑟·肖洛（Arthur Schawlow），罗伯特迪克（Robert Dicke），查尔斯·汤斯（Charles Townes），贝尔实验室的研究者，和亚历山大·普罗霍罗夫（Aleksandr Prokhorov）。

军用雷达与微波激射器

  自1916年爱因斯坦提出受激辐射理论后的几十年间，虽然理论研究一直在进行，但一直没有人在实验室证实受激辐射的存在。受激辐射理论仅仅局限于讨论光的散射、折射、色散和吸收等过程。直到1933年，在研究反常色散问题时才触及到光的放大。1946年，瑞士物理学家费利克斯·布洛赫在美国斯坦福大学研究核磁共振现象时，观察到了粒子数反转信号，但他没有注意到这点。1947年，美国物理学家兰姆和雷瑟福在关于氢的精细结构的著名论文中加有一个附注，指出通过粒子数反转可以期望实现受激辐射。1949年，法国物理学家卡斯特勒（A.Kastler）发展了光泵方法，为此他获得了1971年诺贝尔物理奖。所谓光泵，实际上就是利用光辐射改变原子能级集居数的一种方法。他原来的目的是要建立一种用光探测磁共振的精密测量方法，没有想到可以实现粒子数反转，更没有想通过这一途径进行光的放大。他的工作为以后的固体激光器提供了重要的光抽运手段。

  由于第二次世界大战中雷达得到广泛运用，微波技术发展很快，微波器件充分发展，磁共振方法因而得到研究。微波波谱学发展起来了，也就为发明微波激射放大器准备了充分条件。查尔斯·汤斯（C.H.Townes，1915-）是美国哥伦比亚大学的物理学教授。他在二战期间长期在新泽西州贝尔实验室研究军用雷达。雷达的核心部分是微波振荡器，改进的途径之一是把雷达的工作频率不断提高。雷达波长越短，发射出去的波束就越细，探测精度越高。当时雷达的工作频率达到10GHz，波长3厘米。美国空军要求贝尔实验室研制频率为24GHz（即波长为1.25厘米）的雷达，用于轰炸精确瞄准设备，汤斯获得这一研制任务。他通过实验，证实当时难以制造出这种波长的雷达。汤斯敏锐地意识到，电磁波的波长必然还要向更短的方向发展。他转而研究毫米波、亚毫米波的问题。那时，产生频率高、波长短的电磁波，譬如厘米波，都使用相应的金属盒作为振荡器的谐振腔。要想产生波长比厘米波更短的毫米波或亚毫米波，需要用比火柴梗还要细的金属盒。最难的是盒子的内壁必须打磨得十分光洁，这是当时的工艺水平所难以达到的。因此必须从根本上找到一种产生高频电磁波的新方法。

  1950年初，美国海军研究署成立了一个由科学家和工程师组成的委员会，研究产生毫米波和亚毫米波的方法。1951年春，汤斯到华盛顿参加委员会召集的第二次会议。在会议期间，他构思出第一台微波激射器，用氨分子作为激活介质。氨分子从束源射出后进入聚焦电极系统，高能态分子受沿半径方向向内的聚焦力，而低能态分子受沿半径方向向外的力，于是到达谐振腔内的分子都是高能态的。让不同频率的电磁辐射输入谐振腔以激发分子进一步辐射，当调速管的频率调到分子跃迁频率时，就会观察到发射谱线。到1953年底，汤斯和同事们终于制成第一台微波激射器，命名为Maser（脉塞），又称为微波量子放大器，功率仅有10毫瓦，共振频率为23.87GHz（波长1.25cm）。苏联的巴索夫和普罗霍洛夫独立进行类似的研究工作，也研制出一台微波激射器。汤斯、巴索夫和普罗霍洛夫三人一起获得了1964年诺贝尔物理学奖。在某种意义上，微波激射器离激光器只有一步之遥，因为它们运用了几乎相同的科学原理，只不过是产生的光（电磁波）频率，波长不同罢了。

  这时珀赛尔和庞德在哈佛大学已经实现了粒子数反转，不过信号太弱，人们无法加以利用。1955年，苏联物理学家巴索夫和普罗霍洛夫提出得到Maser的受激分子的另一种可能途径，他们指出具有三个或四个能级的原子、分子系统，用高频电磁波造成粒子数反转，在高能态和居间能态之间或居间能态与低能态之间的跃迁频率有可能得到放大。1956年，美国科学家布罗贝尔金独立地发现了三个能级泵浦方法，并建议能级固态Maser用Ni-Zn氟硅酸盐和Ga-La乙基硫酸盐。1956-1958年，三能级固体量子放大器问世，使厘米波和分米波的高灵敏度接收成为可能，并很快用于射电天文、雷达和宇宙通信的灵敏的低噪声前置放大器。1958年12月，汤斯和他的妹夫阿瑟·肖洛，在美国物理评论杂志上发表文章，讨论了谐振腔、工作物质和抽运方式等一系列问题，对他们所提出的在光波波段工作的量子放大器设计方案进行了详细的理论分析，预言了采用法布里-珀罗干涉仪作为开式谐振腔的选模作用，以及激光的相干性、方向性、线宽和噪声等性质。至此，把微波量子放大器扩展到光波波段的理论基础和技术已基本完备，激光器这个现代科技的宠儿，即将临产了。

  1960年5月6日，美国休斯研究所的希奥多•梅曼（Theodore Maiman）博士，用一盏闪光灯照射一条指尖大小的红宝石棒，使其发射出脉冲激光（波长0.6943微米）。梅曼原本的任务是为休斯公司制造一台小型的汤斯式微波激射器，用于产生脉冲光源，因此他选用了红宝石作为激发介质。他通过把红宝石棒放置在铝制圆柱体里的螺旋形闪光光源中间，成功地使红宝石棒发射出激光束。但是汤斯和同事们在此之前已经发表了相关论文和实现方式。梅曼的成就经过几十年争取，才被广泛认可（发明家Gordon Gould也奋力争取人们认可他在激光器发展中的作用）。激光出现后，得到进一步发展。1961-1965年，激光光谱用于大气污染分析，半导体激光器用于激光通信，CO2激光器用于激光熔炼、激光切割、激光钻孔。1968-1969年，月球上设置激光反射器，地面与卫星联系。1982年，发明激光全息术。1980-1990年，激光外科手术、通信、光盘、激光武器等出现。

       神光 加工好的Φ380mm成品晶片

我国激光核聚变大事记

1964年，王淦昌提出了研究激光聚变的倡议。

1965年，上海光机所开始用高功率钕玻璃激光产生激光聚变的研究。

1973年5月，上海光机所建成两台功率达到万兆瓦级的高功率钕玻璃行波放大激光系统。

1974年，上海光机所研制成功毫微秒10万兆瓦级6路高功率钕玻璃激光系统，激光输出功率提高了10倍。

1980年，王淦昌提出建造脉冲功率为1万亿瓦固体激光装置的建议，称为激光12号实验装置。

1987年6月27日，神光I通过了国家级鉴定。

1994年，神光I退役，神光I连续运行8年。

1994年5月18日，神光Ⅱ装置立项，工程正式启动。

2001年8月，神光Ⅱ装置建成，总体性能达到国际同类装置的先进水平。

2007年2月4日，中物院神光Ⅲ激光装置实验室工程举行了开工奠基仪式。

   1999年6月，NIF在安装10米直径的靶室，这个球形真空容器由18个四英寸厚的铝制造组装，重量超过130吨。

美国国家点火装置(NIF)

　　美国国家点火装置（NIF）是是与“神光”计划一样的工程，由位于美国加利福尼亚州旧金山的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室研制。该计划自1994年开工以来延期了很多次，它最终的目标是2010年实现聚变反应，并达到平衡点，即激光在聚变反应中产生的能量大于它们所消耗的能量。该计划建造和运行花费超过35亿美元，容纳NIF装置的建筑物长215米，宽120米，相当于三个足球场。

  美国国家点火装置的实验过程为：先将一束10亿分之1焦耳的激光增强10000倍，然后将一束激光分离为48束激光，接着这些激光束被反射镜引导进入放大器（在进入放大器之前将被总计为7689个氙闪光灯所激励），之后经过4次反射，通过整个设备（有3个足球场大小）后进一步被分成192束。经过了那些似乎没有终点的管道后，这些激光的总能量将增加到原来能量的3000万亿倍，成为拥有180万焦耳能量的脉冲紫外光（相当于美国所有发电厂发电量的1000倍），再聚焦到直径为3毫米的氘氚小丸上，产生1亿度的高温，压力超过1000亿个大气压，进而引发核聚变。每束激光发射出持续大约十亿分之三秒，当这些脉冲撞击到目标反应室上，它们将产生X光。这些Ｘ光会集中于位于反应室中心装满重氢燃料的一个塑料封壳上。X光将把燃料加热到一亿度，并施加足够的压力使重氢核生聚变反应。释放的能量将是输入能量的50-100倍。这是因为激光在镜面之间来回反射，并通过3000块磷酸盐玻璃，其中的钛原子会使激光束扩大。在这种类型的反应堆中，需要相继点燃多个目标，才能产生持续的热量。据科学家估计，每个目标的成本可控制在 0.25 美元左右，从而大大降低了核电厂的成本。利弗莫尔有850名科学家和工程师。另外大约有100名物理学家在那里设计实验。NIF的问题是它的激光每几小时只能发射一次。Mercury激光的方案已经在计划中。它不一定比NIF更大，它的目标是每秒钟发射10次脉冲。

      NIF激光试验与靶区建设的规模相当于3个足球场

NIF模仿NASA的主控室

激光核聚变装置中，激光照射靶物球芯时，辐射空腔两端的光线情况。

国际上已投入运行的激光器和计划建造的巨型装置，归纳为下列两表。

激光装置国家及实验室      输出能量  束数  建成时间

GEKKO-XII日本大阪大学ILE    15KJ/3ω   12   1983

PHEBUS法国里梅尔实验室     10KJ/3ω   2

VULCAN英国卢瑟福实验室     2KJ/3ω    8

HELEN英国原子武器中心      1KJ/1ω   1

NOVA美国里弗莫尔实验室     40KJ/3ω   10   1984

OMEGA美国罗彻斯特大学LLE    30KJ/3ω   60   1995

Beamlet美国里弗莫尔实验室    6.4KJ/3ω   1   1994

计划建造的巨型钕玻璃激光装置

装置名称国家及实验室   能量/波长   束数   预定进度

NIF美国里弗莫尔     1.8MJ/3ω   192   2002

MLF法国核武器所     1.8MJ/3ω    240  2005

100-TW英国武器中心   ＞100KJ/3ω    32

日本大阪大学      ＞100KJ/3ω    尚未批准

   大型KDR晶体，重量近800磅，通过新开发的快速生长过程，只需要两个月，采用常规方法需要两年。每个晶体切成40厘米的方形水晶板，NIF大约需要600块。

左图是一个镀金的NIF黑腔，右图是一个直径4mm的试验胶囊，试验时这个内部充满氘和氚的气体的胶囊将被塞入镀金黑腔，接受强激光的辐照，一旦NIF点火成功，发生核聚变，就会形成强大的能量。

   激光将用来压缩上图这样的一个豌豆大小的氘-氚粒状物，粒状物被封入一个称为“hohlraum”的镀金圆筒。然后将这个Hohlraum被安装在直径为3.2英尺的称为黑体辐射空腔的靶室中央，192条激光束聚焦在Hohlraum上，并生成极强的X射线，在高温和辐射的作用下，粒状物将转化为等离子体，且压力不断升高，直至发生聚变。核聚变反应寿命很短，大约只有百万分之一秒，但它释放的能量是引发核聚变所需能量的50到100 倍。在这种类型的反应堆中，需要相继点燃多个目标，才能产生持续的热量。据科学家估计，每个目标的成本可控制在 0.25 美元左右，从而大大降低了核电厂的成本。

   劳伦斯利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory，简称LLNL）创建于1952年，位于加州旧金山以东65公里，利弗莫尔峡谷东南端。主要从事与核武器全寿期各阶段核装置设计相关的研究试验工作。另外，它还从事受控核聚变、激光核聚变、激光同位素分离研究和生物医学研究。LLNL占地254平方公里，其炸药试验场占地约27平方公里。共有328幢建筑，总资产更置费高达684亿美元。LLNL拥有超过8000名工作人员，包括3500位科学家、工程师，年经费预算约16亿美元。这张航拍照片右下角的建筑，即为美国国家点火装置(NIF)。

   这是美国桑迪亚国家实验室（Sandia National Lab）中运的Z机器创造了一团异常炽热的电浆。这团电浆温度超过了20亿度，使得它成为地球历史上最热的东西，在极短的时期内，其温度比恒星内部还热。上面图像中，Z机器试验是通过聚集2000万安培电流进入到一个由磁场远程限制的小区域中，从而制造出了高温。Z机器的名字是从垂直的电线而来的。在意外的强大的试验中包含了爆炸，Ｚ机器释放的电量功率是地球总电量的80倍。Z机器试验有助于了解太阳耀斑的物理学原理，设计更有效率的核聚变电站，在极度炽热状态下测试材料，以及为计算机模拟核爆炸收集数据。

   俄罗斯核武器研究机构——位于萨罗夫-阿尔扎马斯的“俄罗斯科学院实验物理研究所”（英文简写VNIIEF）激光物理研究室，1989年研制的用于激光核聚变研究的火星-5具有120ТВт输出，图为高能激光真空靶室安装。高能激光同样可用于核武器理论研究。参见：萨罗夫-阿尔扎马斯16 揭开俄罗斯神秘核武器研制基地的面纱（三）

   兆焦耳激光器（Laser Megajoule，简称LMJ），位于法国阿基坦大区勒巴尔普市的CESTA实验室，是欧洲最强大的激光器。1996年6月，法国与美国签署了一项加强两国核合作的协议。美国同意与法国共享超级计算机模拟核试验所获得的数据，并帮助法国建造兆焦耳激光装置（LMJ）。LMJ是一个类似于美国国家点火装置（NIF）的惯性约束聚变装置，由法国原子能委员会（CEA）军事应用局设计。

   2004年6月，中国工程物理研究院激光聚变研究中心，等离子体物理国家级实验室，建成200TW（1太瓦=10亿千瓦）超高功率钛宝石激光装置（SILEX-I）。该装置激光脉冲宽度30fs（1飞秒=1千万亿分之一秒），激光波长800nm，激光输出功率200TW，最高可达286TW，该功率比全球发电总功率还要高一个量级；在激光脉冲光谱和光束时空特性控制方面达到国际领先水平。

联系郭老师

博客：https://blog.sina.com.cn/tgstudio
新浪微博：@项目管理郭致星

信箱：kakutisei@163.com

详细了解郭老师
郭老师博客客户端下载

郭老师自画像