激光核聚变
激光核聚变（laser nuclear fusion）是以高功率激光作为驱动器的惯性约束核聚变。在探索实现受控热核聚变反应过程中，随着激光技术的发展，1963年苏联科学家N.巴索夫和1964年中国科学家王淦昌分别独立提出了用激光照射在聚变燃料靶上实现受控热核聚变反应的构想，开辟了实现受控热核聚变反应的新途径激光核聚变。激光核聚变要把直径为1毫米的聚变燃料小球均匀加热到1亿度，激光器的能量就必须大于1亿焦，这在技术上是很难做到的。直到1972年美国科学家J.纳科尔斯等人提出了向心爆聚原理以后，激光核聚变才成为受控热核聚变研究中与磁约束聚变平行发展的研究途径。
1、基本原理
激光核聚变中的靶丸是球对称的。球的中心区域（半径约为3毫米）充有低密度（≤1克/厘米3）的氘、氚气体。球壳由烧蚀层和燃料层组成：烧蚀层的厚
度为200—300微米，材料是二氧化硅等低Z（原子序数）材料；燃料层的厚度约300微米，材料是液态氘、氚，其质量约5毫克。有的靶丸的中心区域是真空，球壳由含有氘、氚元素的塑料组成。有的靶丸则用固体氘、氚燃料，球壳由玻璃组成。
当激光对称照射在靶丸表面上时，烧蚀层表面材料便蒸发和电离，在靶丸周围形成等离子体。激光束的部分能量在临界密度层处（该处的等离子体频率与入射的激光频率相等）被反射掉，另一部分能量则被等离子体吸收并加热等离子体。等离子体的热量通过热传导穿过临界密度层向烧蚀层内传递，烧蚀层材料蒸发并向四周飞散产生反作用力（类似火箭推进原理），将靶丸球壳向靶心压缩（爆聚）产生传播的球形激波，使靶丸内氘、氚燃料的密度和温度增加，这种效应称为向心爆聚。如果激光脉冲的波形选得合适，则向心传播的球形激波可会聚到靶丸球心区域，使球心区域一部分氘、氚燃料优先加热，形成热斑。当热斑中的温度高到足以产生聚变反应时，则释放出的聚变能量就可驱动通过靶丸径向向外传播的超声热核爆炸波，并在靶丸物质移动之前就能将燃料层的聚变燃料加热并产生聚变反应，最后将烧蚀层毁掉。因此，激光束的能量仅用于产生向心爆聚和加热靶心的热斑燃料上，不需将整个靶丸均匀加热到热核聚变温度，从而降低了对激光器功率的要求。
实现激光核聚变有直接驱动法和间接驱动法两种：①直接驱动法是将激光束直接照射在靶丸表面上，驱动器大多是钕玻璃激光器。优点是激光束的能量利用效率高，运行可靠，且可进行时空控制。缺点是必须要求激光束均匀照射在靶丸表面上，否则会造成向心爆聚的不对称，还可能在烧蚀层等离子体中产生不稳定性，使靶壳破坏，造成靶壳和核聚变燃料相互混合而降低压缩（爆聚）效果。此外激光功率的耦合效率（5%—10%）和重复发射脉冲的频率（每秒输出1—10个激光脉冲）都不够高。研究中的新型激光驱动器有KrF准分子激光器及用激光二极管泵浦的固体激光器等。KrF准分子激光器的优点是：波长较短，激光吸收效率高，波形整形能力强，输出脉冲幅度可变动范围大等。但还存在诸多技术问题，如激光器的效率、脉冲的重复频率、光学传输的复杂性、激光器的可靠性与耐用性及高成本等。激光泵浦的固体激光器的优点是重复频率高、效率高，通过变频可使波长变短，获得高功率输出，运行可靠等。存在的问题是激光二极管造价高，并需要找到长寿命荧光的激光材料。②间接驱动法是将含有聚变燃料的靶丸悬在一个用高Z材料（如金）做成的小腔内，激光束通过腔壁上的小孔照射在腔的内壁上（不是直接照射在靶丸上）。腔壁表面物质吸收激光束的能量温度升高，产生软X射线。在薄壁层热材料内，辐射和材料之间几乎是热平衡的，因而形成软X射线的辐射场。辐射热波向冷壁传输，高Z冷壁被加热并发射软X射线，成为软X射线的再发射区。软X射线均匀地照射在腔内靶丸上将其烧蚀，经过向心爆聚等过程产生热核聚变反应。间接法的优点是对激光束光斑的均匀性要求不高，且软X射线能均匀辐照在靶丸表面上，实现对称爆聚。缺点是激光通过时等离子体会驱动参量不稳定性，而且激光束能量的利用效率不及直接驱动法高。
2、应用结果
当今世界上最大的激光核聚变装置当属美国加州美国国家点火装置（NIF），它从1997年工程正式开始建设，2009年基本竣工，投资约合24亿英镑，占地约一个足球场大小。“国家点火装置”产生的激光能量将是世界第二大激光器、罗切斯特大学的激光器的60倍。科学家希望该激光器能模仿太阳中心的热和压力，用以创造核聚变反应。它在2010年10月完成了其首次综合点火实验，激光系统向低温靶室发射了1兆焦激光能量，这已经是当时世界第二大的罗切斯特大
学激光实验能量的30倍之多。而在2012年3月22日整个装置所发射出的激光在经过最后一个聚焦透镜后，达到了2.03兆焦，在一举打破纪录的同时，也成为世界上首个2兆焦能量的紫外激光，其最终投向靶室的192束激光束射出了1.875兆焦（MJ）的能量。尽管超过了其1.8兆焦的设计能力，但激光系统并未有多余的损坏。然而，NIF的进展也并非一帆风顺，它在对氢同位素进行加温加压的过程麻烦不断。在一个叫做间接传动的过程中，多束激光束会从橡皮擦大小的“辐射空腔”的两个开口射入，使其内部产生X射线。之后，由X射线来加热并挤压辐射空腔内的核燃料（氢同位素标靶），触发核聚变。然而，在辐射空腔内部，激光与等离子体之间发生了意料之外的涡流交互作用，吸收了来自激光束的能量。这会抵消很多能量，使NIF的激光能量输出达不到点燃反应堆所必须的极限阈值，所以至今NIF的科研人员还在不断攻关中。
美国国家点火装置（NIF）
尽管我国在ICF领域的研究起步较晚，但是自从1964年王淦昌等科学家独立提出了惯性约束核聚变的概念以来，经过近半个世纪几代人的不懈努力，在惯性约束核聚变研究和高功率激光技术等方面取得了巨大的成就，先后建成了“六路装置”、“星光”、“天光”和“神光”等大型高功率激光装置（如下表所示）。
下面以我国的神光装置进行具体说明:
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
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。
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。
不论是国外还是国内，巨型激光驱动器都是综合国力的反映，能够代表一个国家在这一领域的科技水平。它的研制对相关科学技术有重大的带动作用。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。
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。
而且根据规划，更大规模的“神光-Ⅳ”激光核聚变点火装置也正在研制中。随着新一代的核聚变装置的相继研制成功、投入运行，不仅体现了我国综合国力的巨大进步，而且必将带动相关科学技术全面发展，同时还培养锻炼了一批批相关的专业人才，为我国以后激光惯性约束核聚变技术的发展奠定了坚实的基础，使得我国早日实现激光惯性核聚变发电的目标指日可待。
参考文献：
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激光原理及应用 考试时间:第 18 周星期五 ( 2007年1 月 5日) 一单项选择（30分） 1．自发辐射爱因斯坦系数与激发态E2平均寿命τ的关系为（ B ） 2．爱因斯坦系数A21和B21之间的关系为（C ） 3．自然增宽谱线为（ C ） （A）高斯线型（B）抛物线型（C）洛仑兹线型（D）双曲线型 4．对称共焦腔在稳定图上的坐标为（B ） （A）（-1，-1）（B）（0，0）（C）（1，1）（D）（0，1） 5．阈值条件是形成激光的（ C ） （A）充分条件（B）必要条件（C）充分必要条件（D）不确定 6．谐振腔的纵模间隔为（B ） 7．对称共焦腔基模的远场发散角为（C ） 8．谐振腔的品质因数Q衡量腔的（C ） （A）质量优劣（B）稳定性（C）储存信号的能力（D）抗干扰性 9．锁模激光器通常可获得（ A ）量级短脉冲 10．YAG激光器是典型的（ C ）系统 （A）二能级（B）三能级（C）四能级（D）多能级 二填空（20分） 1.任何一个共焦腔与等价，
而任何一个满足稳定条件的球面腔地等价于一个共焦腔。(4分) 2 .光子简并度指光子处于、 、、。（4分）3．激光器的基本结构包括三部分，即、 和。（3分） 4．影响腔内电磁场能量分布的因素有、 、。（3分） 5．有一个谐振腔，腔长L=1m，在1500MHｚ的范围内所包含的纵模个数为 个。（2分） 6．目前世界上激光器有数百种之多，如果按其工作物质的不同来划分，则可分为四大类，它们分别是、、和。（4分） 三、计算题（42分） 1．（8分）求He-Ne激光的阈值反转粒子数密度。已知＝6328?，1/f( ) ＝109Hz，＝1，设总损耗率为，相当于每一反射镜的等效反射率R＝l－L ＝98.33％，＝10—7s，腔长L＝0.1m。 2．（12分）稳定双凹球面腔腔长L＝1m,两个反射镜的曲率半径大小分别为R 1＝3m求它的等价共焦腔腔长，并画出它的位置。 ＝1.5m,R 2 3．（12分）从镜面上的光斑大小来分析，当它超过镜子的线度时，这样的横模就不可能存在。试估算在L＝30cm, 2a=0.2cm 的He-Ne激光方形镜共焦腔中所可能出现的最高阶横模的阶次是多大？ 4．4．（10分）某高斯光束的腰斑半径光波长。求与腰斑相距z=30cm处的光斑及等相位面曲率半径。 四、论述题（8分） 1．（8分）试画图并文字叙述模式竞争过程
第 18卷第 67期大自然探索 V o l . 18, Sum N o . 67 1999年 第 1期 EXPLO RA T I ON O F NA TU R E N o . 1, 1999惯性约束聚变能源与激光驱动器Ξ 中国工程院院士 中国科学院上海光学精密机械研究所研究员 国家高技术 863— 416主题专家组成员 范滇元 中国科学院院士 北京应用物理与计算数学研究所研员 国家高技术 863— 416 聚变能源是一种“干净的” 的能源。研究进展表明 , 80年代末 , 美国用 变 , 证实了这一技术路线在科学上的可行性。 90年代以来 , 一些国家制定了庞大的发展计划 , 以“点火” 为目标 , 建造百万焦耳级的巨型激光装置。同时 , 并行地开始了用于聚变能电站的驱动器研究。我国已有 30多年研究基础 , 现已制定跨世纪的“神光 - ” 计划 , 将在下世纪初建成 10万 J 级的激光装置 , 开展相关基础物理研究。 1聚变能源是地球上的人造小太阳
能源是人类赖以生存的基本条件。据估计 , 到下世纪中叶前后 , 全世界能源消费的需求将超过传统能源的供给能力 , 必须开发新的能源以弥补其短缺。聚变能源是新能源的重要候选者之一。 氢的同位素氘和氚在高温下聚合成氦核 “聚变” 。太阳的巨 , 而氢弹的爆炸则是地球上人为的聚变反应。氘和锂 (可产生氚在海中蕴藏量极其丰富 , 120kg 海水可产生相当 30L 石油放出能量的聚变能 , 聚变材料可谓“取之不尽” 。如果能在人工可控条件下实现聚变反应 , 则可以提供几乎用之不竭的能源。和传统能源相比 , 聚变燃料具有最高的比能。 然而聚变反应所要求的条件却极为苛刻。自持反应要有 1亿 k W h 左右的高温 , 并且参与反应的粒子密度 n 要足够高 , 能维持一定的反应时间Σ, 即n Σ值要达到 1014s c m 3以上 , 这就是著名的劳逊判据。 为了实现上述条件 , 目前有两条技术途径 :磁约束聚变 (M CF 和惯性约束聚变 (I CF 。 惯性约束聚变的基本思想是 :利用激光或离子束作为驱动源 , 脉冲式地提供高强度能量 , 均匀地作用于装填氘氚燃料的微型球状靶丸外壳表面形成高温高压等离子体 , 利 ? 1 3? Ξ谨以此文缅怀惯性约束聚变研究先驱王淦昌院士 用反冲压力 , 使靶的外壳极快向心运动 , 压缩氘氚主燃料层到每立方厘米几百克质量的极高密度 , 并使局部氘氚区域形成高温高密度热斑 , 达到点火条件 ; 驱动
激光原理及应用[陈家璧主编] 一、填空题（20分，每空1分） 1、爱因斯坦提出的辐射场与物质原子相互作用主要有三个过程，分别是（自发辐射）、（受激吸收）、（受激辐射）。 2、光腔的损耗主要有（几何偏折损耗）、（衍射损耗）、（腔镜反射不完全引起的损耗）和材料中的非激活吸收、散射、插入物损耗。 3、激光中谐振腔的作用是（模式选择）和（提供轴向光波模的反馈）。 4、激光腔的衍射作用是形成自再现模的重要原因，衍射损耗与菲涅耳数有关，菲涅耳数的近似表达式为（错误！未找到引用源。），其值越大，则衍射损耗（愈小）。 5、光束衍射倍率因子文字表达式为（错误！未找到引用源。）。 6、谱线加宽中的非均匀加宽包括（多普勒加宽），（晶格缺陷加宽）两种加宽。 7、CO2激光器中，含有氮气和氦气，氮气的作用是（提高激光上能级的激励效率），氦气的作用是（有助于激光下能级的抽空）。 8、有源腔中，由于增益介质的色散，使纵横频率比无源腔频率纵模频率更靠近中心频率，这种现象叫做（频率牵引）。 9、激光的线宽极限是由于（自发辐射）的存在而产生的，因而无法消除。 10、锁模技术是为了得到更窄的脉冲，脉冲宽度可达（错误！未找到引用源。）S，通常有（主动锁模）、（被动锁模）两种锁模方式。 二、简答题（四题共20分，每题5分） 1、什么是自再现？什么是自再现模？ 开腔镜面上的经一次往返能再现的稳态场分布称为开腔的自在现摸 2、高斯光束的聚焦和准直，是实际应用中经常使用的技术手段，在聚焦透镜焦距F一定的条件下，画出像方束腰半径随物距变化图，并根据图示简单说明。 3、烧孔是激光原理中的一个重要概念，请说明什么是空间烧孔？什么是反转粒子束烧孔？ 4、固体激光器种类繁多，请简单介绍2种常见的激光器（激励方式、工作物质、能级特点、可输出光波波长、实际输出光波长）。 三、推导、证明题（四题共40分，每题10分）
2019-2020年高二物理《核聚变》教学设计教案 ★新课标要求 （一）知识与技能 1．了解聚变反应的特点及其条件. 2．了解可控热核反应及其研究和发展. 3．知道轻核的聚变能够释放出很多的能量,如果能加以控制将为人类提供广阔的能源前景。 （二）过程与方法 通过让学生自己阅读课本，培养他们归纳与概括知识的能力和提出问题的能力 （三）情感、态度与价值观 1．通过学习，使学生进一步认识导科学技术的重要性，更加热爱科学、勇于献身科学。 2．认识核能的和平利用能为人类造福，但若用于战争目的将给人类带来灾难，希望同学们努力学习，为人类早日和平利用核聚变能而作出自己的努力。 ★教学重点 聚变核反应的特点。 聚变反应的条件。 ★教学方法 教师启发、引导，学生讨论、交流。 ★教学用具： 多媒体教学设备一套：可供实物投影、放像、课件播放等。 ★课时安排 1 课时 ★教学过程 （一）引入新课 教师：1967年6月17日，我国第一颗氢弹爆炸成功。从第一颗原子弹爆炸成功到第一颗氢弹爆炸成功，我国仅用了两年零八个月。前苏联用了四年，美国用了7年。氢弹爆炸释放核能是通过轻核的聚变来实现的。这节课我们就来研究聚变的问题. 学生：学生认真仔细地听课 点评：通过介绍我国第一氢弹爆炸，激发同学们的爱国热情。
（二）进行新课 1．聚变及其条件 提问：请同学们阅读课本第一段，回答什么叫轻核的聚变？ 学生仔细阅读课文 学生回答：两个轻核结合成质量较大的核，这样的反应叫做聚变。 投影材料一：核聚变发展的历史进程［1］ 提问：请同学们再看看比结合能曲线（图19.5-3），想一想为什么轻核的聚变反应能够比重核的裂变反应释放更多的核能？ 让学生了解聚变的发展历史进程。 学生思考并分组讨论、归纳总结。 学生回答：因为较轻的原子核比较重的原子核核子的平均质量更大，聚变成质量较大的原子核能产生更多的质量亏损，所以平均每个核子释放的能量就更大点评：学生阅读课本，回答问题，有助于培养学生的自学能力。 教师归纳补充： （1）氢的聚变反应： 2 H+21H→31He+11H+4 MeV、 1 2 H+31H→42He+10n+17.6 MeV 1 （2）释放能量：ΔE＝Δmc2＝17.6 MeV，平均每个核子释放能量3 MeV以上，约为裂变反应释放能量的3～4倍 提问：请同学们试从微观和宏观两个角度说明核聚变发生的条件？ 学生阅读教材，分析思考、归纳总结并分组讨论。 得出结论 微观上：参与反应的原子核必须接近到原子核大小的尺寸范围，即10-15m，要使原子核接近到这种程度，必须使它们具有很大的动能以克服原子核之间巨大的库仑斥力。 宏观上：要使原子核具有如此大的动能，就要把它加热到几百万摄氏度的高温。 点评：从宏观和微观两个角度来考虑核聚变的条件，有助于加深理解。 教师说强调：聚变反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以维持反应持续进行下去，在短时间释放巨大的能量，这就是聚变引起的核爆炸。 教师补充说明： （1）热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳和很多恒星的内部温度高达107K 以上，因而在那里进行着激烈的热核反应，不断向外界释放着巨大的能量。太阳每秒释放的能量约为3.8×1026 J，地球只接受了其中的二十亿分之一。太阳在“核燃烧”的过程中“体重”不断减轻。它每秒有７亿吨原子核参与碰撞，转化为能量的物质是400万吨。科学家估计，太阳的这种“核燃烧”还能维持90亿~100亿年。当然，与人类历史相
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910175919.7 (22)申请日 2019.03.08 (71)申请人 北京理工大学 地址 100081 北京市海淀区中关村南大街5 号 (72)发明人 赵维谦 王允 邱丽荣 (74)专利代理机构 北京理工正阳知识产权代理 事务所(普通合伙) 11639 代理人 邬晓楠 (51)Int.Cl. G01B 11/255(2006.01) G01B 11/24(2006.01) G01B 11/06(2006.01) G01B 11/00(2006.01) G01N 21/65(2006.01) (54)发明名称 激光差动共焦核聚变靶丸形态性能参数测 量方法与装置 (57)摘要 本发明公开的激光差动共焦核聚变靶丸形 态性能参数测量方法与装置，属于共焦显微成 像、光谱探测及激光惯性约束核聚变技术领域。 本发明将激光差动共焦技术与拉曼光谱探测技 术结合，利用激光差动共焦技术对激光聚变靶丸 壳层的内、外表面进行精密层析定焦，利用拉曼 光谱探测技术对靶丸壳层和界面进行光谱激发 探测，并进一步通过正交回转驱动技术对靶丸进 行三维回转驱动获得靶丸的内/外表面三维形态 参数和壳层/界面性能分布参数等，实现核聚变 靶丸形态性能参数综合测量。本发明能够为激光 惯性约束核聚变仿真实验研究、靶丸制备工艺研究和靶丸筛选提供数据基础和检测手段。本发明在激光惯性约束核聚变、高能物理和精密检测领 域有广泛的应用前景。权利要求书3页 说明书6页 附图3页CN 109959347 A 2019.07.02 C N 109959347 A
思考练习题1 1.答：粒子数分别为：188346 341105138.210 31063.6105.01063.61?=????=? ?==---λ ν c h q n 239342100277.510 31063.61?=???== -νh q n 2． 答：（1）(//m n E E m m kT n n n g e n g --=） 则有：1]300 1038.11031063.6exp[23 93412≈?????-==---kT h e n n ν （2）K T T e n n kT h 3 6 23834121026.61.0]1011038.11031063.6exp[?=?=???????-==----ν 3． 答：（1）1923 18 1221121011.3]2700 1038.11064.1exp[4----?=???-?=?=??n n e g n g n kT h ν 且202110=+n n 可求出312≈n （2）功率＝W 918810084.51064.13110--?=??? 4.答：（1） 3 1734 3 6333/10857.310 63.68)106.0(2000188m s J h h c q q ??=????=?=---ννννρρπρπλρνπ＝自激 （2）9434 36333106.71051063.68)106328.0(88?=?????==---πρπλρνπννh h c q q ＝自激 5． 答：（1）最大能量 J c h d r h N W 3.210 6943.01031063.61010208.0004.06 83461822=??????????=? ???=?=--πλ ρπν 脉冲平均功率＝瓦8 9 61030.210 10103.2?=??=--t W （2）瓦自 自自145113.211200 2021=?? ? ??-?==? ? ? ??-==?-e h N P e n dt e n N t A τνττ
惯性约束核聚变 核能的安全使用是缓解能源危机的有效途径。相对于核裂变，核聚变具有无放射性，单位质量提供的能量多等优点，而且地球上核聚变物质储量远远多于核裂变物质储量。实现受控核聚变。 聚变的原理： 他们是利用加速器或其它方法使原子核相互碰撞, 从而得到或失去能量。 要实现受控核聚变，必须满足两个基本条件，一是必须将燃料加热到很高的热核反应温度；二是，必须在足够时间长时间内将高温高密度等离子体约束在一起。Lawson 判据限定了实现核聚变的具体条件，即受约束的等离子体必须达到一定的密度n 、温度T 及约束时间τ。对氘氚反应，)/(109.3311mm s n ?≥τ，T 约为K 810。 有两种方法，实现受控核聚变。一是磁约束聚变（Magnectic Confinement Fusion ，MCF ），就是利用磁场将带电离子约束住，使之发生聚变的反应。二是激光驱动惯性约束聚变，就是基于氢弹原理，即利用高能激光驱动器在极短时间将巨变燃料小球（靶丸）加热、压缩到高温、高密度，使之在中心“点火”，点燃后继核反应实现受控核聚变，从而获得干净聚变能源。
聚变过程可分为四个阶段：一、强激光束快速加热氘氚靶丸表面，形成等离子体烧蚀层；二、驱动器的能量以激光或X 光形式迅速传递给烧蚀体，使之加热并迅速膨胀；当壳体外部向外扩张时，根据动量守恒定理，剩余部分则向中心挤压，反向压缩燃料； 三、向心聚爆将靶丸压缩至一定程度，使氘氚燃料达到高温、高密度状态，在靶丸中心形成热点；四、热核燃烧在被压缩的燃料内部蔓延，使主体燃料发生聚变反应，产生数倍的能量增益，从而产生大量的聚变能输出。 现在的惯性约束核聚变存在以下问题: 一、激光和离子束功率没有达到足够大； 二、激光必须照射均匀，小球壳本身厚薄均匀； 三、目前的爆炸方法有待改进。 ICF 研究进展 自从60年代初激光器问世以后，中、美、日、前苏联等国即着手激光驱动ICF 研究，多年来ICF 研究已在世界范围内取得了重要进展。但目前仍处在科学上可行性研究 阶段，即掌握主要环节的靶物理规律，实现实验室演示点火目标。为此需要驱动器（主要是高功率、高能量激光器）、靶物理理论和实验、精密诊断设备、靶的制备五个方面协调研究发展。下面主要介绍美、法、日等国在激光驱动器和靶物理方面的研究发展情况。 美国 从1975年至今，已建立了6代固体激光器，输出功率提高了近5个量级。 1985年建成了当时世界上最大的固体激光器NOV A ，脉宽约1ns ，10路、三倍频，能量（下同）输出约20KJ 。1994年NOV A 完成精密化，能量升级至40KJ 。 1995年在Rochester 大学建成固体激光器OMEGA （1ns ，60路、约45KJ ）。 正在建造国家点火装置（NIF ），3~5ns 、,192路、1.8KJ ，预计2005年前后建成。目前能源部的一个专门小组正在对NIF 的技术进行评估。 拍瓦（W 1510）装置（1ps 、1路、1KJ ）正在运行。 法国 PHEBUS 装置约1ns 、2路、KJ 42?正在运行。 在美国帮助下正在研制百万千焦LMJ ，3~5ns ，240路，1.8MJ ，预计2010年建成。 P102超短脉冲激光器，约350fs ，1路，55TW 我国 1964年，王淦昌在国际上独立提出激光驱动聚变的建议，由此开始了我国ICF 研究历史。80年代初中国科学院与当时九院合作研究促进了我国ICF 的发展。1993年，国家高技术863计划成立了惯性约束聚变主题专家组后，规划了国家ICF 发展目标，并在驱动器、靶物理理论和实验、精密化诊断设备、靶的制备五方面研究取得了重大进展，为进一步的研究打下了重要基础。 经过早期几代固体激光器的研制，1986年建成神光一号（SG-1）———当时称为LF-12，脉宽1ns 、2路、基频能量为J 8002?，1994年退役；与此同时建成了星光装置（1ns 、1路），目前输出能量约100J 。 1994年决定建造∏-SG ，1ns 、8路、6KJ ()?1、3KJ （?3），经过改造，2000年已开始投入运行。 1996年开始进行,I∏-SG 原型概念设计。I∏-SG 为60路、1ns 、输出到靶面的总能量为60KJ （?3），它是我国进行点火前靶物理并外推到点火物理研究的驱动器，约
中国科学 G 辑: 物理学 力学 天文学 2009年 第39卷 第11期: 1571 ~ 1583 https://www.doczj.com/doc/3b14077089.html, https://www.doczj.com/doc/3b14077089.html, 《中国科学》杂志社 SCIENCE IN CHINA PRESS 我国激光惯性约束聚变实验研究进展 江少恩*, 丁永坤, 缪文勇, 刘慎业, 郑志坚, 张保汉, 张继彦, 黄天晅, 李三伟, 陈家斌, 蒋小华, 易荣清, 杨国洪, 杨家敏, 胡昕, 曹柱荣, 黄翼翔 中国工程物理研究院激光聚变研究中心, 绵阳 621900 * E-mail: jiangshn@https://www.doczj.com/doc/3b14077089.html, 收稿日期: 2009-03-15; 接受日期: 2009-08-02 国家高技术研究发展计划和国家自然科学基金(批准号: 10775120)资助项目 摘要 介绍国内自2000年以来的激光惯性聚变(inertial confmement fusion, ICF)实验研究进展, 主要内容为神光Ⅱ激光装置上的实验, 也对刚建成不久的神光III 原型装置上的实验作简要介绍. 在神光Ⅱ激光装置上开展了多项的物理实验研究, 进行了系列综合和分解实验, 获得的主要实验技术指标为: 黑腔峰值辐射温度超过二百万度; 辐射驱动DT 聚变中子产额达108和辐射驱动压缩DD 燃料密度超过10倍液氘密度; 辐射不透明的样品温度接近100 eV. 在神光II 装置上得到这些结果表明国内在惯性约束聚变研究方面取得了显著的进步. 随着神光III 原型装置建造的完成, 2007年在该装置上进行了首轮物理实验, 开展了黑腔物理和辐射内爆物理实验, 首轮实验的成功说明神光Ⅲ原型装置已具备实验能力. 关键词 激光聚变 神光II 激光装置 神光III 原型装置 激光惯性聚变(ICF) 在地球上实现受控热核聚变反应, 将可能为人类提供丰富、经济、安全的能源. 惯性约束聚变(ICF)是实现受控热核聚变很有希望的途径之一, 它是通过内爆对热核燃料进行压缩, 使其达到高温高密度, 在内爆运动过程中惯性约束下实验热核点火和燃烧, 从而获取聚变能的方法. 激光聚变是用激光作为驱动源的. ICF 领域研究工作的开展无论对国民经济、 军事应用, 还是对于基础研究探索都有着重要而特殊的意义. ICF 早已成为当代重大而难度大的国际高科技研究课题, 为了演示点火和聚变燃烧, 世界各地都在进行兆焦耳激光器拍瓦激光器高重复率能量驱动器的运转和建造, 美国于2009年建成国家点火装置(NIF)[1], 法国正在加紧建造兆焦激光装置(LMJ)[2]. ICF 的基本思想是: 利用激光或离子束作驱动源, 脉冲式地提供高强度能量,均匀地作用于装填氘氚(DT)燃料的微型球状靶丸外壳表面, 形成高温高压等离子体, 利用反冲压力, 使靶外壳极快地向心运动, 压缩氘氚主燃料层到每立方厘米的几百克质量的极高密度, 并使局部氘氚区域形成高温高密度热斑, 达到点火条件(离子温度Ti>5 keV, 燃料的面密度ρR hs > 0.3 g/cm 2), 驱动脉冲宽度为纳秒级, 在高温高密度热核燃料来不及飞散之前, 进行充分热核燃烧, 放出大量聚变能. 采用激光产生的惯性约束聚变称为激光聚变. 利用激光产生驱动惯性约束聚变内爆需要的能流和压强可采用两种途径(见图1). 在直接驱动中, 多束激光束直接均匀辐照含有热核燃料的聚变靶丸, 激光能量被靶丸外层低密度的冕区中的电子吸收, 电子热传导将能量输运到靶壳的高密度区, 驱动烧
思考练习题1 1． 试计算连续功率均为1W 的两光源，分别发射λ＝0.5000μm ，ν=3000MHz 的光，每秒 从上能级跃迁到下能级的粒子数各为多少？ 答：粒子数分别为：18 8 346341105138.21031063.6105.01063.61?=????=? ?==---λ ν c h q n 23 9 342100277.510 31063.61?=???==-νh q n 2．热平衡时，原子能级E 2的数密度为n 2，下能级E 1的数密度为n 1，设21g g =，求：(1)当原子跃迁时相应频率为ν＝3000MHz ，T ＝300K 时n 2/n 1为若干。(2)若原子跃迁时发光波长λ＝1μ，n 2/n 1＝0.1时，则温度T 为多高？ 答：（1）(//m n E E m m kT n n n g e n g --=） 则有：1]300 1038.11031063.6exp[23 93412≈?????-==---kT h e n n ν （2）K T T e n n kT h 3 6 23834121026.61.0]1011038.11031063.6exp[?=?=???????-==----ν 3．已知氢原子第一激发态(E 2)与基态(E 1)之间能量差为1.64×l0－ 18J ，设火焰(T ＝2700K)中含有1020个氢原子。设原子按玻尔兹曼分布，且4g 1＝g 2。求：(1)能级E 2上的原子数n 2为多少？(2)设火焰中每秒发射的光子数为l08 n 2，求光的功率为多少瓦？ 答：（1）1923 181221121011.3]2700 1038.11064.1exp[4----?=???-?=?=??n n e g n g n kT h ν 且20 2110=+n n 可求出312≈n （2）功率＝W 918 8 10084.510 64.13110--?=??? 4．(1)普通光源发射λ＝0.6000μm 波长时，如受激辐射与自发辐射光功率体密度之比 q q 激自1 = 2000 ，求此时单色能量密度νρ为若干？(2)在He —Ne 激光器中若34/100.5m s J ??=-νρ，λ为0.6328μm ，设μ＝1，求 q q 激 自 为若干？ 答：（1）
国家磁约束核聚变能发展研究专项 项目申请书 项目名称： 申报单位： 项目负责人： 申报日期： 1
中华人民共和国科学技术部制 2
项目摘要（1,000字左右） 简述开展项目研究的重要性和必要性、拟解决的关键问题、主要研究内容和目标、课题设置。 申请书正文（不超过30,000字） 一、立项依据 开展项目研究的重要性和必要性。 二、国内外研究现状和发展趋势 国际最新研究进展和发展趋势，国内研究现状和水平，相关研究工作取得突破的可能性等。 三、拟解决的关键科学技术问题和主要研究内容 详细阐述围绕国家磁约束核聚变能发展研究专项任务所要解决的科学技术问题。主要研究内容要围绕关键问题，系统、有机地形成一个整体来详细阐述，重点要突出，避免分散或拼盘现象。 四、阶段性目标和总体目标 详细阐述项目的总体目标和阶段性目标，要有具体、可考核的考核指标。 3
五、总体研究方案 结合主要研究内容阐述学术思路、技术途径及其创新性，与国内外同类研究相比的特色和取得突破的可行性分析等。 六、课题设置 围绕项目所要解决的关键问题、研究重点和预期目标合理设置课题。说明课题设置的思路、各课题间的有机联系以及与项目预期目标的关系；详细、具体叙述各课题的名称、主要研究内容和目标、承担单位、课题负责人及主要学术骨干和经费比例等。 七、现有工作基础和条件 1. 项目承担单位在所申报项目相关研究方面的工作基础和取得的主要研究成果。 2. 项目实施所具备的工作条件，包括实验平台和大型仪器设备等，国家实验室、国家重点实验室和重大科学工程等重要研究基地在项目中所起的作用等。 3. 项目申报单位近五年承担的与所申报项目直接相关的国家科技计划重大、重点项目的完成情况，与所申报项目的关联和 4
核聚变实验装置 1、 提纲概要 （一）、我们需要学些什么？ （二）、核聚变简介 （三）、激光核聚变 二、主要内容 （一）、我们需要学些什么？ 我们应该：会学习、会思考、有责任心、敢于承担责任。或许我们欠缺很多关于这几方面的东西，很多人都 是被别人牵着鼻子走的，渐渐失去了自己的主观判断力， 包括我也或多或少的是这一类人。韩老师举例讲述了很多 学习的好方法，以及告诉我们应该做一个严谨科学的人。 这样，我们才有可能造就属于自己的成功。平时，老师们 很少给我们提到这些方面的知识，本堂讲座大家收获良 多。 （二）、核聚变简介 核聚变：由轻原子核熔合生成较重的原子核，同时释放出巨大能量的核反应。 如下图，重原子核分裂为两个较轻的原子核时，释放出巨大的能 量；两个较轻的原子核结合为一个大的原子核后，释放出更大的 能量。 裂变： U 235 92 144 56
+ Kr 90 36 + n 1 n 1 + n 1 + 能量
U 235 92 144 56 Ba + Kr 90 36 + n 1 n 1
n 1 + 能量 + 聚变： 受控核聚变：让轻原子核（氢、氘、氚）聚合所产生的核能以可控的方式释放出来并有可观的能量增益的核反应。 D+D→T(1.01 Mev)+P(3.03 Mev) D+D→He3(0.82 Mev)+n(2.45 Mev) D+T→He4(3.52 Mev)+n(14.06 Mev) 氢弹爆炸是核聚变反应，但它是瞬间的、不可控的。 太阳上的核聚变反应是持续的、不可控的。 受控核聚变能源：资源丰富（足够用上几百亿年）、洁净（无污染）、安全（核事故概率几乎为零）且经济（消费者可以承受） 。 目前主要的几种可控核聚变方式： 超声波核聚变、激光约束（惯性约束）核聚变、磁约束核聚变（托卡马克）。 （三）、激光核聚变 激光核聚变就是利用激光照射核燃料使之发生核聚变反应。 激光核聚变主要有3种用途：一是可为人类找到一种用不完的清洁能源，二是可以研制真正的“干净”核武器，三是可 以部分代替核试验。因此，激光核聚变在民用和军事上都具有
内蒙古工业大学200 —200 学年第一学期 《激光原理及应用》期末（考试）试卷（A）课程代码： 试卷审核人：考试时间： 注意事项：1.本试卷适用于级电科专业本科生使用 2.本试卷共6页，满分100分，答题时间120分钟 一、选择题（30分） 1、平面波的单色性是由下面的那个参数来评价其优劣的（） A、振幅 B、频率 C、光强 D、先谱的线宽 2、激光束偏转技术是激光应用的基本技术，如果它使激光束离散地投 射到空间中某些特定的位置上，则主要应用于（）。 A．激光打印B．激光显示 C．激光存储D．传真 3、具有超小型、激光强度快速可调特点的激光器是（）。 A．固体激光器B．气体激光器 C．半导体激光器D．光纤激光器 4、LED不具有的特点是（）。 A．辐射光为相干光 B．LED的发光颜色非常丰富 C．LED的单元体积小 D．寿命长，基本上不需要维修 9、高斯光束波阵面的曲率半径R0=（）
A 、])(1[||2 2 O Z Z πωλ+ B 、21 220 0])(1[(πωλωZ + C 、])(1[||22Z Z O λπω+ D 、21 )(λ λL 10、输出功率的兰姆凹陷常被用作一种，（）的方法。 A 、稳定输出功率 B 、稳定频率 C 、稳定线宽的 D 、稳定传输方向的 11、本书介绍的激光调制主要有哪几种调制（） A 、声光偏转 B 、电光强度 C 、电光相位 D 、电光调Q 12、半导体激光器的光能转换率可以达到（） A 、 25%—30% B 、70% C 、100% D 、≥50% 13、半导体光放大器英文简称是（ ）。 A ．FRA B ．SOA C ．EDFA D ．FBA 14、激光器的选模技术又称为（ ）。 A ．稳频技术 B ．选频技术 C ．偏转技术 D ．调Q 技术 15、非均匀增宽介质的增益系数阈值D G =阈（ ）。 A ．)(21 21r r Ln L a - 内 B ．hvV A n 32阈? C ． 1D M s G I I + D ． 2 /1) /1(S I I G +?
激光核聚变 激光核聚变（laser nuclear fusion）是以高功率激光作为驱动器的惯性约束核聚变。在探索实现受控热核聚变反应过程中，随着激光技术的发展，1963年苏联科学家N.巴索夫和1964年中国科学家王淦昌分别独立提出了用激光照射在聚变燃料靶上实现受控热核聚变反应的构想，开辟了实现受控热核聚变反应的新途径激光核聚变。激光核聚变要把直径为1毫米的聚变燃料小球均匀加热到1亿度，激光器的能量就必须大于1亿焦，这在技术上是很难做到的。直到1972年美国科学家J.纳科尔斯等人提出了向心爆聚原理以后，激光核聚变才成为受控热核聚变研究中与磁约束聚变平行发展的研究途径。 1、基本原理 激光核聚变中的靶丸是球对称的。球的中心区域（半径约为3毫米）充有低密度（≤1克/厘米3）的氘、氚气体。球壳由烧蚀层和燃料层组成：烧蚀层的厚 度为200—300微米，材料是二氧化硅等低Z（原子序数）材料；燃料层的厚度约300微米，材料是液态氘、氚，其质量约5毫克。有的靶丸的中心区域是真空，球壳由含有氘、氚元素的塑料组成。有的靶丸则用固体氘、氚燃料，球壳由玻璃组成。 当激光对称照射在靶丸表面上时，烧蚀层表面材料便蒸发和电离，在靶丸周围形成等离子体。激光束的部分能量在临界密度层处（该处的等离子体频率与入射的激光频率相等）被反射掉，另一部分能量则被等离子体吸收并加热等离子体。等离子体的热量通过热传导穿过临界密度层向烧蚀层内传递，烧蚀层材料蒸发并向四周飞散产生反作用力（类似火箭推进原理），将靶丸球壳向靶心压缩（爆聚）产生传播的球形激波，使靶丸内氘、氚燃料的密度和温度增加，这种效应称为向心爆聚。如果激光脉冲的波形选得合适，则向心传播的球形激波可会聚到靶丸球心区域，使球心区域一部分氘、氚燃料优先加热，形成热斑。当热斑中的温度高到足以产生聚变反应时，则释放出的聚变能量就可驱动通过靶丸径向向外传播的超声热核爆炸波，并在靶丸物质移动之前就能将燃料层的聚变燃料加热并产生聚变反应，最后将烧蚀层毁掉。因此，激光束的能量仅用于产生向心爆聚和加热靶心的热斑燃料上，不需将整个靶丸均匀加热到热核聚变温度，从而降低了对激光器功率的要求。
为什么说核聚变是终极能源？ 随着社会的进步，人类对能源的需求越来越大，传统的化石能源已经接近枯竭。可控核聚变是解决能源危机的最终手段。一升海水中的氘元素蕴含的能量相当于300升汽油。 01磁场约束核聚变——托克马克装置 托卡马克，是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。它的名字Tokamak 来源于环形、真空室、磁、线圈。最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明的。托卡马克的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。 相比其他方式的受控核聚变，托卡马克拥有不少优势。1968年8月在苏联新西伯利亚召开的第三届等离子体物理和受控核聚变研究国际会议上，阿齐莫维齐宣布在苏联的T-3托卡马克上实现了电子温度 1 keV，质子温度 0.5 keV，n τ=10的18次方m-3.s，这是受控核聚变研究的重大突破，在国际上掀起了一股托卡马克的热潮，各国相继建造或改建了一批大型托卡马克装置。其中比较著名的有：美国普林斯顿大学由仿星器-C改建成的 ST Tokamak，美国橡树岭国家实验室的奥尔马克，法国冯克奈-奥-罗兹研究所的 TFR Tokamak，英国卡拉姆实验室的克利奥（Cleo），西德马克斯-普朗克研究所的 Pulsator Tokamak。 2006年9月28日，中国耗时8年、耗资2亿元人民币自主设计、自主建造而成的新一代热核聚变装置EAST首次成功完成放电实验，获得电流200千安、时间接近3秒的高温等离子体放电。EAST成为世界上第一个建成并真正运行的全超导非圆截面核聚变实验装置。 早在1933年，即发现核裂变现象五年前，人类就发现了核聚变。虽然核裂变比核聚变发现得晚，但是很快就实现了核裂变爆炸。随着受控核裂变发电获得成功，世界范围内大规模核电站建设迅速展开，并投入商业运行。 在核聚变实现后，同样，人们也试图能和平利用受控核聚变，如建立受控核聚变发电厂。与利用核裂变发电相比，利用受控核聚变的能量来发电具有许多优点：一是理论和实践都证明，核聚变比核裂变释放出的能量要大得多；二是资源
系、班 姓 名 座 号 ………………密……………封……………线……………密……………封……………线………………… 华中科技大学2012年《激光原理》期末试题(A) 题 号 一 二 三 四 总分 复核人 得 分 评卷人 一. 填空: （每孔1分，共17分） 1. 通常三能级激光器的泵浦阈值比四能级激光器泵浦阈值 高 。 2. Nd:Y AG 激光器可发射以下三条激光谱线 946 nm 、 1319 nm 、 1064 nm 。其 中哪两条谱线属于四能级结构 1319 nm 、 1064 nm 。 3. 红宝石激光器属于 3 几能级激光器。He-Ne 激光器属于 4 能级激光器。 4. 激光具有四大特性，即单色性好、亮度高、方向性好和 相干性好 5. 激光器的基本组成部分 激活物质、 激光谐振腔 、 泵浦源 。 6. 激光器稳态运转时，腔内增益系数为 阈值 增益系数,此时腔内损耗激光光子的速率和生成激光的光子速率 相等. 7. 调Q 技术产生激光脉冲主要有 锁模 、 调Q 两种方法。 二、解释概念：（共15分，每小题5分）(选作3题) 题 号 一 二 三 合计 得 分 1. 基模高斯光束光斑半径： 激光光强下降为中心光强21 e 点所对应的光斑半径. 2. 光束衍射倍率因子 光束衍射倍率因子= 角 基膜高斯光束远场发散基膜高斯光束束腰半径实际光束远场发散角 实际光束束腰半径?? 3. 一般稳定球面腔与共焦腔的等价关系： 一般稳定球面腔与共焦腔的等价性：任何一个共焦腔与无穷多个稳定球面腔等价； 任何一个稳定球面腔唯一地等价于一个共焦腔。 三、问答题：（共32分，每小题8分） 题 号 一 二 三 四 合计 得 分 1. 画出四能级系统的能级简图并写出其速率方程组 ()()()() Rl l l l l N N n f f n dt dN n n n n n A n W n s n dt dn S n S A n N n f f n dt dn A S n W n dt dn τυννσυννσ-???? ??-==++++-=++-???? ??--=+-=02111220321303001010 3232121202111 222313230303 ,, W 03 A 03 S 03 S 32 S 21 A 21 W 21 W 12 E 3 E 2 E 1 E 0
激光核聚变 激光核聚变（laser nuclear fusion ）是以高功率激光作为驱动器的惯性约 束核聚变。在探索实现受控热核聚变反应过程中，随着激光技术的发展， 1963 年苏联科学家N.巴索夫和1964年中国科学家王淦昌分别独立提出了用激光照射 在聚变燃料靶上实现受控热核聚变反应的构想，开辟了实现受控热核聚变反应的 新途径激光核聚变。激光核聚变要把直径为1毫米的聚变燃料小球均匀加热到 1 亿度，激光器的能量就必须大于1亿焦，这在 技术上是很难做到的。直到1972 年美国科学家J.纳科尔斯等人提出了向心 爆聚原理以后，激光核聚变才成为受 控热核聚变研究中与磁约束聚变平行发展的研究途径。 1、基本原理 激光核聚变中的靶丸是球对称的。 球的中心区域（半径约为3毫米）充有低 密 度（W 1克/厘米3）的氘、氚气体。球壳由烧蚀层和燃料层组成：烧蚀层的厚 度为200— 300微米，材料是二氧化硅等低 Z （原子序数）材料；燃料层的厚度 约300微米，材料是液态氘、氚，其质量约5毫克。有的靶丸的中心区域是真空, 球壳由 含有氘、氚元素的塑料组成。有的靶丸则用固体氘、氚燃料，球壳由玻璃 组成。 围形成等离子体。激光束的部分能量在临界密度层处（该处的等离子体频率与入 射的激光频率相等）被反射掉，另一部分能量则被等离子体吸收并加热等离子体。 等离子体的热量通过热传导穿过临界密度层向烧蚀层内传递， 烧蚀层材料蒸发并 向四周飞散产生反作用力（类似火箭推进原理），将靶丸球壳向靶心压缩（爆聚） 产生传播的球形激波，使靶丸内氘、氚燃料的密度和温度增加，这种效应称为向 心爆聚。如果激光脉冲的波形选得合适，则向心传播的球形激波可会聚到靶丸球 心区域，使球 心区域一部分氘、氚燃料优先加热，形成热斑。当热斑中的温度高 到足以产生聚变反 应时，则释放出的聚变能量就可驱动通过靶丸径向向外传播的 超声热核爆炸波，并在靶丸物质移动之前就能将燃料层的聚变燃料加热并产生聚 变反应，最后将烧蚀层毁掉。因此，激光束的能量仅用于产生向心爆聚和加热靶 心的热斑燃料上，不需将整个靶丸均匀加热到热核聚变温度， 从而降低了对激光 器功率的要求。 9 I (frween ■s 激光保如 烧蚀层表面材料便蒸发和电离，在靶丸周
1 前言 能源是社会发展的基础，化石燃料不仅储量有限，而且会造成严重的生态环境破坏和污染，预期200多年后，人类将面临严重的能源枯竭问题，因此，必须 尽快完成战略新能源的开发研究。在一系列的新能源中，核聚变能是最理想的清洁新能源。 核聚变反应包括氘氚反应、氘氦反应、氢硼反应等，其中氘氚反应在地球上最易实现，因其反应资源存在于海水中，一旦实现受控热核聚变，海水将成为人类取之不尽用之不竭的资源。这需要氘或氚，在一定条件下(如超高温和高压)让核外电子摆脱原子核的束缚，让两个原子核能够互相吸引而碰撞到一起，发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核(如氦)，中子虽然质量比较大，但是由于中子不带电，因此也能够在这个碰撞过程中逃离原子核的束缚而释放出来，大量电子和中子的释放所表现出来的就是巨大的能量释放。 2 惯性约束聚变装置简介 现有的可控核聚变约束手段主要有两种，一种是惯性约束，一种是磁约束。 惯性约束是指利用粒子的惯性作用来约束粒子本身，从而实现核聚变反应的一种方法。其基本思想是:利用驱动器提供的能量使靶丸中的核聚变燃料(氘、氚)形成等离子体，在这些等离子体粒子由于自身惯性作用还来不及向四周飞散的极短 时间内，通过向心爆聚被压缩到高温、高密度状态，从而发生核聚变反应。该项 研究主要在美国的国家点火装置（NIF），中国的神光-Ⅲ主机装置，如图1所示。 (a)
(b) 图1 (a)国家点火装置 (b)神光-Ⅲ主机装置 美国的国家点火装置位于加利福尼亚州的利弗莫尔国家实验室，在过去的一段时间里，其工作人员一直致力于将192束激光集中于一个花生米大小的、装有氢粒子的目标上。当能量为500太瓦的激光撞击到装有氢粒子的目标上后，会产生X光粒子，使得重氢原子和超重氢原子产生聚变，这种聚变使得少量物质转变为巨大能量。但由于技术问题，该项目在2012年末将工作重点由聚变能研究领域重新转回到核武器试验上。 我国的“神光-Ⅲ主机装置”，已在2015年由中物院基本建成。作为亚洲最大，世界第二大激光装置，神光-Ⅲ主机装置共有48束激光，总输出能量为18万焦耳，峰值功率高达60万亿瓦。 3 磁约束聚变装置简介 磁约束聚变是指用特殊形态的磁场把氘、氚等轻原子核和自由电子组成的、 处于热核反应状态的超高温等离子体约束在有限的体积内，使它受控制地发生大量的原子核聚变反应，释放出能量。 自上个世纪60年代中期以来，各国科学家先后建成的磁约束装置包括托卡 马克、仿星器、反场箍缩、磁镜、多级场等。 3.1 托卡马克 托卡马克，是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。它的名字Tokamak 来源于环形、真空室、磁、线圈，最初是由位于前苏联莫斯科的库尔
《激光原理及应用》习题 1. 激光的产生分为理论预言和激光器的诞生两个阶段？简述激光理论的创始人，理论要点和提出理论的时间。简 述第一台激光诞生的时间，发明人和第一台激光器种类？ 答：激光理论预言是在1905年爱因斯坦提出的受激辐射理论。世界上第一台激光器是于1960年美国的梅曼研制成功的。第一台激光器是红宝石激光器。 2. 激光谱线加宽分为均匀加宽和非均匀加宽，简述这两种加宽的产生机理、谱线的基本线型。 答：如果引起加宽的物理因数对每一个原子都是等同的，则这种加宽称为均匀加宽，线型为洛仑兹线型。自然加宽、碰撞加宽及晶格振动加宽均属均匀加宽类型。 非均匀加宽是原子体系中每一个原子只对谱线内与它的表观中心频率相应的部分有贡献，线型为高斯线型。多普勒加宽和固体晶格缺陷属于非均匀加宽。 3. 军事上的激光器主要应用那种激光器？为什么应用该种激光器？ 答：军事上主要用的是CO 2激光器，这是因为CO 2激光波长处于大气窗口，吸收少，功率大，效率高等特点。 4. 全息照相是利用激光的什么特性的照相方法？全息照相与普通照相相比有什么特点？ 答：全息照相是利用激光的相干特性的。全息照片是三维成像，记录的是物体的相位。 1. 激光器的基本结构包括三个部分，简述这三个部分 答：激光工作物质、激励能源（泵浦）和光学谐振腔； 2. 物质的粒子跃迁分辐射跃迁和非辐射跃迁，简述这两种跃迁的区别。 答：粒子能级之间的跃迁为辐射跃迁，辐射跃迁必须满足跃迁定则；非辐射跃迁表示在不同的能级之间跃迁时并不伴随光子的发射或吸收，而是把多余的能量传给了别的原子或吸收别的原子传给他的能量。 3. 工业上的激光器主要有哪些应用？为什么要用激光器？ 答：焊接、切割、打孔、表面处理等等。工业上应用激光器主要将激光做热源，利用激光的方向性好，能量集中的特点。 4. 说出三种气体激光器的名称，并指出每一种激光器发出典型光的波长和颜色。 答：He-Ne 激光器，632.8nm （红光），Ar+激光器，514.5nm （绿光），CO 2激光器，10.6μm （红外） 计算题 1．激光器为四能级系统，已知3能级是亚稳态能级，基态泵浦上来的粒 子通过无辐射跃迁到2能级，激光在2能级和1能级之间跃迁的粒子产 生。1能级与基态（0能级）之间主要是无辐射跃迁。 （1）在能级图上划出主要跃迁线。 （2）若2能级能量为4eV ，1能级能量为2eV ，求激光频率； 解：（1）在图中画出 （2）根据爱因斯坦方程 21h E E ν=- 得 ()1914213442 1.610 4.829106.62610E E Hz h ---??-===??ν 2．由凸面镜和凹面镜组成的球面腔，如图。凸面镜的曲率半径为2m ，凹面镜的曲率半径为3m ，腔长为1.5m 。发光波长600nm 。判断此腔的稳定性； 解: 激光腔稳定条件 R3 32ω 21ω