用于核研究的非球面透镜和反射镜

随着实验室激光器功率的增加，非球面透镜和反射镜已被推动以提供极高的强度。

      在世界各地，核研究激光设施越来越多地使用强大的、放大的、超短持续时间的相干光脉冲，以便在给定的目标上提供巨大的能量密度。同步传输这些高功率脉冲创造了极端条件，科学家们可以在其中进行最先进的核研究。

       它还允许研究仅存在于遥远和异国环境中的条件，例如，我们太阳的核心和更远的地方。这些设施还为研究人员提供了提高材料科学、天体物理学以及粒子和核物理学等领域知识的机会。由此产生的应用范围从医学到核能。

       美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火装置 (NIF) 于 10 年前投入使用并建造。通过自我维持的聚变反应来利用核能，这将有助于解决全球能源危机，但是，这仍然没有实现。然而，毫无疑问，NIF 和世界各地的其他激光设施已经让科学家们能够进行开创性的研究。这扩大了对未来实现激光诱导聚变必不可少的理解。

       激光技术成果显着。然而，如果在透射和反射光学器件的设计和制造方面没有同样的进步，这些进步就不可能发生。传输光束质量的最大决定因素之一是光学元件的质量。

高功率激光系统

      通常，核研究激光系统由一系列光束线组成。通过这些，光束传播并经过扩展、功率放大，然后在到达聚焦单元之前进行空间滤波。聚焦单元位于真空室附近，真空室包含诊断仪器和目标组件。

      由于靶组件包含负责引发核反应的燃料舱，因此它是一个关键部件。该组件由称为空腔的圆柱形电池、包含所选燃料的球形燃料舱和燃料本身组成。

      通常，光束传播和扩展是通过一系列望远镜光学元件实现的。另一方面，功率放大通常是通过一堆掺钕磷酸盐玻璃板以及各种强大的闪光灯来实现的。钕原子被闪光灯激发到更高的能量状态。这意味着当来自注入激光系统的低能量激光脉冲穿过板坯时，存储在钕原子中的多余能量会释放到激光脉冲中。这种能量以特定波长的高度相干光的形式释放。

      当每束光束来回穿过同一组光学器件和玻璃板时，脉冲功率放大会重复多次。这被称为多通道方案。通过使用专用于每个光束的单独但相同的光束传播子系统，所有光束线都进行并行放大。

      目标是在燃料舱所在的真空室内同时从每条光束线传送密集聚焦的相干光点。所有生成的光点以非常高的精度同时、时间和空间重合到达非常重要。正是密集聚焦点的这种精确重合意味着可以对燃料舱施加对称的力。这也意味着可以将最大的能量密度传递到目标。这两件事都是满足引发聚变反应条件的基本要求。

    NIF 的钕玻璃激光器在 NIR 区域产生 1053 nm (1 ω) 的光。然而，在将其聚焦到目标之前，激光被转换为其三次谐波 351 nm (3 ω)。频率转换是使用两个由磷酸二氢钾 (KDP) 制成的非线性晶体板实现的。转换是必要的，因为与更长的波长相比，惯性约束聚变目标更有效地吸收紫外线。在较短的波长下性能也更好。

      紫外线被有效吸收后，燃料舱周围的温度会因二次 X 射线的产生而大幅升高。这种极端的局部环境最初会导致燃料舱表面温度升高和烧蚀。消融过程中产生的冲击波使胶囊迅速内爆。这种快速内爆将 DT（氘和氚）燃料压缩到极高的密度，并将其加热到高温。

       如前所述，目标内的力分布虽然不完全依赖，但在很大程度上依赖于传送光束的同步和精度。高密度能量的成功光束传输可能会导致对称内爆和压缩，从而将温度升高到足够的水平（超过 1 亿度）。在这些温度下，聚变反应等于或超过沉积在目标中的激光能量。这是一种称为劳森准则或点火的条件。

      然而，通过精确应用对称冲击波来达到启动自持聚变反应所需的温度和压力在技术上仍然难以捉摸。一种称为“快速点火”的技术放宽了其中一些限制。

       这是通过在爆炸达到最大密度后直接在核心燃料的一侧提供非常短的（皮秒或飞秒）能量爆发来实现的。目前正在探索快速点火作为一种可行的选择，可以提高惯性约束聚变反应的性能。

大功率设施

      拟议的欧洲高功率激光能源设施 (HiPER) 是尝试使用快速点火来启动自持聚变的一个例子。预计该设施在运行期间将使用比 NIF 更少的能量，同时产生显着更高的聚变增益（热核增益为 100）。然而，在获得资金之前，调试路线图仍然不确定。

       位于捷克共和国的 ELI Beamlines 激光研究中心使用各种完整的激光系统。其中包括具有超短激光脉冲的 L1 Alegra、L2 Amos、L3 HAPLS 和 L4-Aton。这些系统包括高功率和高重复率选项以及最高功率的单次发射 (10-PW) 配置。

       ELI 项目有许多目标。主要目标之一是使用单发、超短高峰值功率激光选项从超相对论和相对论相互作用中产生粒子和辐射。这将使科学家能够检查物质在超相对论状态下的行为，从而产生一种称为量子等离子体的物质状态。

        据估计，该设施中的 10-PW 激光器将以更高的剂量率提供聚焦强度高达 1024W/cm2 的基础科学研究项目。超短脉冲源不是追求核能的进步，而是旨在满足基础研究的需求。

图 1.激光强度的历史，具有不同的激光-物质相互作用周期。

       在过去 20 年1,2,3中对相对论和次相对论制度进行了研究。最近的努力包括 ELI 4和 Gemini 激光设施，以及未来可能的 HiPER。这些努力的目的是解决超相对论体系或量子态，预期聚焦强度 > 1023W/cm2（图1）。1985 年开发的 CPA（啁啾脉冲放大）等技术进步使超短脉冲放大到拍瓦级成为可能。在 1990 年代，固态激光器的发展使得超快皮秒和飞秒脉冲的产生成为可能. 这些进展是追求产生量子等离子体和相对论状态的关键里程碑。

      在 CPA 技术中，在将超短激光脉冲引入颗粒介质之前，使用一对光栅及时拉伸超短激光脉冲。光栅的排列使得激光脉冲的变化频率分量通过不等的路径传播。这个过程称为脉冲展宽。然后，可以降低光谱各个部分的强度，并将它们扩展到足以进行放大的水平。这是通过在脉冲通过时使其过载而不会损坏谷物介质的情况下完成的。

图 2. CPA 技术和放大阶段的示意图。

      最后，经过拉伸、放大的激光脉冲被重新压缩成其原始脉冲宽度。这是通过反转拉伸过程来实现的。该系统实现的峰值功率比 CPA 之前使用激光系统产生的峰值功率大几个数量级（图 2）。

聚焦光学

      聚焦光学是所有基于激光的核研究项目的一个关键方面，将高均匀性、高密度分布的能量成功输送到目标，其中最重要的作用之一是聚焦光学。可以使用非球面反射镜（例如通常具有大的离轴角的离轴抛物线）或透射式非球面聚焦透镜或可能使用两者5的长短脉冲组合来实现成功交付。这取决于每个激光设施的特定操作需求和设计。

      由于非常短的脉冲在通过玻璃传输时往往会显着扩散，因此产生超短脉冲的激光器需要反射光学元件。然而，较长的脉冲不会显示出显着的扩展，因此使用诸如透镜之类的透射元件是不太可行的选择。

      M. Rosete-Aguilar 及其同事广泛解决了光学材料对光脉冲时间传播的影响。这项研究着眼于具有不同色散特性的玻璃，并分析了它们在不同脉冲宽度下作为波长函数的扩展。

      与较长脉冲（例如，脉冲长度>> 100 fs）相比，玻璃对超短脉冲时间加宽的影响明显更严重。本研究证实了这一现象。此外，当波长接近紫外线（例如 351 nm）时，效果似乎更加明显。这种行为在所有类型的玻璃中都有不同程度的表现。在玻璃研究中，熔融石英似乎表现出最好的行为。

      考虑到上述因素，决定是否使用透射或光学组件在很大程度上取决于实验是否使用超短脉冲。例如，在 ELI 的情况下应选择反射解决方案，因为使用的是单个超短脉冲。然而，在其他情况下，例如 NIF，透射式解决方案更可取，因为使用了多个更长的脉冲。

图 3.通过1到10毫米厚的块 (a) 和通过 10 到 100 毫米厚的块 (b) 的脉冲扩展。

      Rosete-Aguilar 及其同事处理的数据显示，当光束通过不同厚度的玻璃传播时，脉冲的扩展会增加。图 3 展示了透镜不适用于熔融石英情况下的超短脉冲，脉冲范围为 50 至 100 fs，波长为 800 nm。对于薄玻璃块（例如，10 毫米厚），该结果可以忽略不计。这表明即使在超短脉冲中，使用更薄的光学器件（包括光学窗口）也是可以接受的。

      然而，需要在焦平面上提供同相、无像差、高精度和高密度的光斑，这意味着用户必须采用短焦距和更大光圈的光学元件。只有使用天然无球面像差的高度非球面反射镜和透镜才能满足这些要求。

图 4.对于给定的输入光束直径，焦距和聚焦光斑直径之间的关系。蓝线代表类似于 NIF 操作需求的场景，其中多个 351 nm 的短脉冲光束会聚到目标。橙色线代表一种类似于 ELI 的场景，其中在 800 nm 处提供单个高峰值功率超短射。

图 5.应用于通过聚焦元件的光束的高斯光束传播理论。

       选择正确的光学元件有助于在目标处提供直径只有几微米的目标光斑（图 4）。计算假设完美光学、300 毫米直径孔径的完美高斯光束，以及高斯光束传播理论（图 5）。焦距为1～3 m的非球面聚焦透镜可以认为是核激光设施的合适选择。这取决于所使用的光束线数、腔室直径和其他设计参数。然而，最合适的解决方案是焦距非常短的离轴抛物面镜。此处未详细说明的许多其他原因也使其成为最合适的选择。