从“神光”系列看我国高功率激光技术的重大突破

我们都知道激光具有高相干、方向性好、高亮度的特点。真正的高功率激光并不是把光源做亮那么简单，而是在纳秒量级时间内，将巨大能量以可控方式传输到指定位置，同时要求光束的相位、波前、能量分布和到靶时间都保持严格一致。

神光系列的意义正在于此：它不是单一激光器的放大版，而是一套由激光物理、精密光学制造、非线性光学、自动控制、洁净工程和系统集成共同构成的巨型光学工程。

神光-Ⅲ主机装置总体布局图

1960年第一台激光器诞生后，激光技术很快从物理实验室进入通信、加工、测量、医疗和信息领域。普通激光应用通常关心光束质量、稳定性、单色性和成本，但在惯性约束聚变与高能量密度物理研究中，科学家需要的不是连续、温和、低能耗的光源，而是能够在极短时间内提供巨大能量密度的驱动源。

所谓“高功率激光”，重点并不只在功率数字本身，而在于是否能够让能量在时间、空间和频率三个维度上保持可控。也就是说，一台高功率激光装置首先要能产生强光，其次要能安全地传输强光，最后还要能准确地把强光送到目标靶点。

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极限激光的探索

神光系列高功率激光装置的发展，正是围绕这一科学需求展开的。中国惯性约束聚变研究可追溯到20世纪60年代中期，随后先后建设了神光Ⅰ、神光Ⅱ和神光Ⅲ等激光聚变综合实验平台。与一般实验室激光器相比，这类装置的难度在于系统规模巨大、光束数目多、能量水平高、运行窗口窄，而且任何一个环节的误差都会被放大到最终靶面上。

式中，P为峰值功率，E为激光脉冲能量，τ为脉冲宽度。

上式说明，高功率激光的关键不是长时间持续输出，而是在短时间内释放能量。若激光脉冲能量为E，脉冲宽度为τ，则τ越小，峰值功率P越高。神光Ⅲ主机装置实现的180 kJ、3 ns、60 TW三倍频紫外激光输出，正是这种“高能量、短脉冲、可同步”的工程能力体现。

式中，Ipeak为峰值光强，A为光束作用面积。它反映能量、时间和空间压缩共同决定强度。

这里需要注意，60 TW并不表示装置像发电机一样持续输出如此大的功率，而是表示在纳秒级脉冲持续时间内达到的峰值功率。

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神光系列的核心技术突破

惯性约束聚变（Inertial Confinement Fusion, ICF）是理解神光系列价值的核心入口。

ICF的基本思路是用多束高功率激光作用于微型燃料靶丸或黑腔，使靶丸外层快速吸收能量并形成等离子体喷射，由反作用压力压缩内部燃料，最终在极短时间内达到高温、高密度状态。

靶面光强控制技术体系图

这个过程对激光的要求非常苛刻：如果某些光束提前到达，压缩过程会失去对称性；如果光束能量分布不均匀，靶丸会发生不理想内爆；如果光束波前质量较差，焦斑能量集中度下降，靶面实际获得的有效驱动能力也会降低。

式中，F为能量通量密度。高通量既是实验需求，也是光学元件损伤风险来源。

对于高功率激光系统而言，能量通量密度F越高，靶面驱动能力越强，但光学元件、频率转换晶体和镀膜表面承受的压力也越大。

神光系列的发展过程，本质上是在“提高输出能力”和“避免系统损伤”之间寻找工程平衡。

放大器不能产生不可控自激振荡，光学元件不能因局部缺陷提前损伤，长光路传输不能引入过大波前畸变，多束激光还必须在打靶时保持同步。正是这些问题，使神光系列成为中国激光技术体系化进步的代表。

神光-Ⅲ主机装置靶球和终端光学组件

神光Ⅲ主机装置由前端、预放、主放、测量与光束控制、靶场、计算机集中控制等系统组成，可输出48束阵列化的大口径高功率脉冲激光。这样的结构并不是简单堆叠48台激光器，而是通过统一的设计、控制和诊断体系，把各束激光变成一个协同工作的整体。

高功率激光通常不能从一开始就直接获得目标能量，因为过高的初始能量会使光学元件、增益介质和调制器承受不可接受的负担。因此，神光Ⅲ采用主振荡功率放大结构（Master Oscillator Power Amplifier, MOPA）。该结构先由前端产生稳定、可控、低能量的种子光，再通过预放大系统和主放大系统逐级提高能量。MOPA结构的优势在于，种子光可以承担脉冲时间形状、频谱特性和初始光束质量控制任务，后级放大器主要承担能量提升任务。这样既有利于保证输出能量，又能避免强光从一开始就破坏系统稳定性。

第一部分是主振荡器，用于产生具有特定特性（如波长、线宽和脉冲持续时间）的“种子”信号；第二部分是功率放大器，用于大幅提高种子信号的输出功率，同时保持振荡器所产生种子信号的原有特性。

神光Ⅲ主机装置采用“腔内四程放大、变口径90°翻转U型反转器、助推三程放大”的总体构型，并通过焦斑控制、精密准直、空间滤波和杂散光管理等技术措施，实现基频光高增益放大和系统安全运行。

B积分用于描述高功率激光传输中的非线性相位积累，n₂为非线性折射率，λ为波长。

当光强进一步提高，非线性光学效应会变得不可忽视。

可能诱发自聚焦、光束畸变甚至光学元件损伤。大型激光装置必须在光束口径、放大通量、空间滤波和光路设计之间精细权衡。

频率转换是神光Ⅲ的重要环节。

装置最终输出351 nm三倍频紫外激光，而不是只使用基频红外光。原因在于，较短波长有利于提高靶面耦合效率和聚焦能力，也有利于特定ICF物理实验条件的实现。频率转换依赖KDP等非线性晶体，通过二倍频、三倍频过程把基频光转换为紫外激光。

基频光波长为λω时，三倍频光波长约为其三分之一。1064 nm附近基频光三倍频后约为351 nm。

式中，η3ω为三倍频转换效率，E3ω为三倍频输出能量，Eω为基频输入能量。

三倍频转换效率η₃ω是衡量非线性频率转换效果的重要指标。如果转换效率过低，前级放大获得的能量无法有效转化为实验所需紫外输出；如果转换过程引入明显波前畸变或局部热效应，靶面焦斑质量也会受到影响。

神光Ⅲ主机装置能够实现大能量351 nm输出，说明我国在大尺寸非线性晶体、高损伤阈值光学元件和频率转换工程方面形成了较强积累。

除了放大和倍频，波前控制也是高功率激光装置的核心能力。激光束经过大量透镜、反射镜、放大介质和窗口元件时，会受到面形误差、热畸变、装调误差和介质不均匀性的影响。波前畸变会使原本应当集中到靶面的能量发生扩散，造成焦斑变大和峰值强度下降。为了保证实验效果，系统需要通过哈特曼波前传感器、变形镜、自适应光学和全光路精密校正技术，对波前误差进行测量和补偿。

式中，Δφ为相位差，OPD为光程差。波前误差本质上会转化为相位误差。

S为Strehl比，σ为波前均方根误差。它可定性说明波前误差越大，聚焦质量越低。

从相位误差公式可以看出，微小的光程差也会在短波长条件下带来明显相位偏移。Strehl比进一步说明，波前均方根误差σ越大，理想焦斑能量集中度越低。神光系列在工程建设中发展波前校正、自动准直和靶场精密瞄准技术，正是为了把每一路激光从“能传过去”提高到“能准确、稳定、高质量地打到目标位置”。

脉冲精密整形控制原理示意图

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我国高功率激光工程未来发展

神光系列最容易被记住的是装置名称和输出参数，但它真正的意义在于形成了中国高功率固体激光技术的工程体系。根据公开论文，神光Ⅲ主机装置在2015年完成48束三倍频180 kJ/3 ns、峰值功率60 TW输出测试，标志着装置达到设计指标。

神光-Ⅲ主机装置输出能力测试图

该装置的建设不仅推进了激光器本体技术，还带动了超精密光学加工、光学检测、洁净处理、计算机集中控制、快电子学和精密机械等多个领域的发展。对于我国激光技术而言，这种体系化能力比某一个单点指标更重要，因为大型科学装置的持续运行依赖的是长期稳定、可维护、可升级的工程基础。

从工程史角度看，神光系列的建设不是一步完成的，而是经历了神光Ⅰ、神光Ⅱ、神光Ⅲ等阶段的持续积累。神光Ⅰ解决了我国开展高功率激光物理实验的基础平台问题，神光Ⅱ进一步提升了多束输出和综合实验能力，神光Ⅲ则把装置规模、输出能力、光束控制和系统集成水平推向新的阶段。这样的路径说明，我国高功率激光技术的发展并不是简单购买设备或复制方案，而是在装置建设、实验运行和技术迭代中逐步建立自主能力。

神光Ⅲ主机装置首次间接驱动内爆集成实验也说明，装置建成后的价值并不止于“能打出高能量激光”。在ICF实验中，多环脉冲整形激光注入黑腔并产生X射线辐射驱动内爆，通过优化激光打靶参数控制驱动不对称性，能够演示DT靶丸内爆实验能力。这意味着神光Ⅲ不仅是一套激光系统，也是一套面向高能量密度物理问题的实验平台。它将激光输出、靶场瞄准、诊断测量和物理实验结合在一起，使我国能够在实验室条件下研究极端物质状态。

神光系列也推动了我国精密光学制造能力的发展。高功率激光系统中的光学元件不能只看透过率和反射率，还必须关注表面缺陷、污染颗粒、亚表面损伤、镀膜均匀性和激光损伤阈值。光学元件一旦存在局部缺陷，强激光照射时会形成局部吸收和热积累，进而诱发损伤扩展。因此，大尺寸光学材料、超精密加工、洁净装配和在线检测技术都是神光装置可靠运行的基础。这些能力并不只服务于聚变研究，也能外溢到高端光学仪器、精密测量、先进制造和空间光学等领域。

（a）研制的位相缺陷检测平台（b）典型的位相缺陷检测数据

神光-III激光装置总体概貌示意图

从未来趋势看，高功率激光技术仍将面对效率、重复频率、运行成本和智能控制等问题。传统大型激光驱动器往往体积大、成本高、发射间隔长，后续发展需要在更高通量、更高稳定性和更自动化运行之间取得平衡。近年来，高功率激光装置的光束精密调控逐渐从单一参数控制转向时域、频域、空域综合控制，研究内容包括靶面光强控制、脉冲波形控制、近场控制和新型光束探索。这说明未来的高功率激光系统将更加依赖数字化设计、在线诊断和闭环优化。

回到我们探讨的主题，神光系列之所以是我国激光技术的显著成就，并不是因为它可以用几个惊人的数字概括，而是因为它展示了我国在极限光场调控上的系统能力。从种子光源到多级放大，从三倍频转换到靶场聚焦，从光学元件制造到同步时序控制，神光系列把许多分散的光电技术整合成一套可运行的大型科学装置。它告诉我们，现代激光工程的竞争已经不是单个器件性能的竞争，而是材料、光学、机械、电子、控制、算法和工程组织能力共同构成的体系竞争。

来自：光学小探

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