Coherent 高意和 NIF：距离创建聚变能源又迈近了一步

全球最大的激光系统在 Coherent 高意大口径光学器件的帮助下，接近实现自持聚变的目标。

2022 年 2 月 17 日，作者：Coherent 高意

您因核聚变而活着。这就是太阳的能量来源，而太阳又为地球生命提供了维持所需的所有能量。自 20 世纪 40 年代以来，科学家一直在尝试利用核聚变在地球上发电。最近，他们在美国国家点火装置 (NIF) 向实现这一目标又迈进了一小步。

我们不是已经有核能了吗？

当今的核电站通过核裂变产生能量。裂变会分裂出较大的原子，例如铀或钚。它会产生大量电力，但也会产生放射性废物。聚变将原子（通常是特殊类型的氢原子）结合在一起，并释放出比裂变更多的能量。它的副产品是氦，不具有放射性，因此不会产生任何有毒废物处理或处置问题。

那么，如何才能创造出发生聚变反应所需的极端条件，就像太阳中心的条件一样？一种方法是采用 192 束产生 500 万亿瓦功率（持续 20 纳秒）的激光束，并将其聚焦在直径仅为几毫米的燃料球上，将其加热到 100,000,000°C。

做起来就跟听起来一样简单！

这正是 NIF 实际完成的事情。可以说，NIF 是迄今为止建造的最大、能量最强的激光系统，其复杂程度和精密程度几乎难以想象。

NIF 激光器安装在一座相当于三个美式足球场大小的建筑物内。它从单个红外光纤激光器的输出开始，然后将其分裂，并多次放大以创建前面提到的 192 个独立激光束。其中有各种光束调节和变换光学器件，使其正常运行并获得所需的结果。其中包括将红外激光转换成紫外线的非线性晶体，以便与核燃料颗粒更好地配合。

Coherent 高意专注于高能激光光学

Coherent Tinsley 通过提供 NIF 所称的“最终光学组件”中使用的楔形聚焦透镜 (WFL) 为这项工作做出了贡献。这是系统的一部分，将激光束聚焦到聚变颗粒上。

每个 WFL 均为尺寸为 400 毫米 x 400 毫米、焦距为 7.7 米的离轴非球面透镜，由高品质熔融石英制成。我们采用一套计算机控制的抛光和测量工具来达到 NIF 对这些组件的非凡精度要求。

制作 WFL 时最重要的考虑之一是尽量减少因吸收高功率激光能量而导致光学器件损坏的可能性。这意味着在生产的每个阶段都要避免表面污染。为了实现这一点，这些组件的整个抛光过程都在洁净室条件下进行。而且，WFL 的最后一步是将其浸入酸浴中，以蚀刻掉外部抛光玻璃层，该层中可能隐藏着杂质或亚表面损坏，从而可能降低激光器的性能。

尽管采取了所有这些预防措施，NIF 系统中产生的巨大激光能量意味着 WFL 和其他光学器件的寿命有限，需要不断更换。因此，Coherent Tinsley 为这些 NIF 提供稳定的供应。这里的一个关键要求是这些组件不能因单元不同而变化，也不能随时间推移而变化。我们是世界上少数能够持续大量生产这种大口径、精密非球面光学器件的制造商之一。

但是，NIF 不断提高其激光器产生的功率。因此，随着对 WFL 的需求不断增加，我们必须不断改进自己的制造工艺，以提供更好、更纯净的光学表面。