Shiva激光是20世纪70年代末美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)建成的一台具有里程碑意义的多束红外钕玻璃激光系统。作为当时为攻关惯性约束聚变(ICF)而打造的代表性装置,Shiva以其多臂结构、长光程放大链和精密诊断系统,既推动了激光聚变物理的实验进展,也揭示了限制压缩性能的关键物理机理,从而促成了后续大功率激光设计路线的根本转变。了解Shiva的设计与实验结果,有助于把握激光驱动惯性约束聚变领域为何由红外转向紫外、为何重视空间滤波与频率转换等核心技术问题。 设计理念与系统结构 Shiva采用20束光束同时照射目标的方式,每束沿约30米长的光路传输,最终在目标室内会聚。放大介质为掺钕的玻璃(Nd:glass)平板,按布鲁斯特角装配以减少反射损耗。整个放大链采用闪光泵浦模式,利用一系列氙闪光灯由电容器组供能,将电能转换为光能以激发钕离子,实现需要的粒子翻转并放大输入的激光脉冲。
为了消除光路中因非线性效应产生的相位与振幅不均匀,Shiva在每级放大后配置了真空空间滤波器,将强度起伏与小尺度散斑清除,使最后到达目标的光斑更为均匀、可控。每束光能约为500焦耳,20束合计可产生约10.2千焦的红外脉冲(波长约1062纳米),脉宽在0.5至1纳秒量级,根据需要亦可输出更长脉宽与不同能量配置。 惯性约束聚变的基本要求与Shiva定位 惯性约束聚变的核心是通过迅速加热靶壳外层使其等离子体快速喷出,从而产生反向推力将燃料球压缩到高温高密的状态以触发聚变反应。要实现点燃(ignition)不仅要求足够的脉冲能量和短脉宽,还对入射光波长、照射的均匀性及能量耦合效率提出严格要求。Shiva并非为直接实现点燃而建,而是作为一个可诊断、可调节的中试平台,用来验证放大链设计、空间滤波技术及多束同步照射的可行性,并为更大规模激光系统提供经验和数据。 实验发现与物理挑战 Shiva在1978年投入目标实验后取得了重要但意外的结论。
虽然可以实现对燃料球的大幅压缩,实验测得的压缩率在50到100倍之间,对应的燃料密度约在3.5到7克/毫升。然而,这一压缩水准远低于数值模拟的乐观预期,距离实现点燃仍有显著差距。对低于预期表现原因的系统研究显示,激光与靶表面形成的等离子体之间发生了强烈的能量耦合到高能电子的现象,主要由受激拉曼散射(stimulated Raman scattering, SRS)等非线性激光等离子体相互作用引起。能量以高达数十千电子伏特的"热电子"形式逃逸,导致压缩过程的驱动能量被分散,并未有效传递到球壳的动量和压缩工作上。 波长的重要性与向紫外的转向 Shiva的实验结果清晰表明,入射光的波长对应着与等离子体相互作用的强弱和能量沉积路径。较长的红外波长更易通过SRS等过程将能量转入高能电子,从而损失掉用于产生有效冲击的能量。
理论与实验联动指出,缩短波长可显著降低这种不利耦合,减弱SRS和受激布里渊散射等驱动机制,同时提高光能在较近表面层的吸收效率,改善压缩对称性与能量利用率。因此,ICF研究开始广泛采用频率转换技术,将Nd:玻璃放大后产生的近红外光通过非线性光学器件转换为第二次或第三次谐波,即紫外波段(大约351纳米)进行驱动。紫外三倍频技术的可行性最初在其他研究设施上得到突破,并随后被整合到LLNL的后续装置如Novette与Nova上,成为后续所有激光驱动ICF系统的标准配置之一。 空间滤波、真空光路与长期设计遗产 Shiva的另一项 lasting贡献是对空间滤波与长光程真空光路重要性的验证。激光在通过放大器玻璃和空气时,非线性自聚焦和散斑会迅速恶化光斑的均匀性,影响压缩对称性并诱发早期失稳。真空空间滤波器通过在焦点处用小孔滤除高角度散射分量,在减弱热点和不均匀度方面显示出显著效果。
但实践中也暴露出挑战,例如如何在避免在滤波器处产生等离子体(因而需要真空环境)和保持光学元件耐受高能量密度之间取得平衡。Shiva的经验为未来大型系统设计提供了实际参数、对光学材料与结构的耐受性理解,以及对维护与现场诊断的组织流程的借鉴。 技术细节与工程影响 Shiva使用的钕玻璃放大器在制造与处理上带来了工程挑战。钕玻璃的放大效率相对较低,整体电能到激光能量的转换效率仅在百分之一左右,这意味着系统需要巨大的电容器组与闪光灯阵列来提供短脉冲所需的光泵浦。Shiva的成本在建成时约为2500万美元,按通货膨胀换算至今日则接近数亿美元规模。尽管效率并不理想,但Shiva作为一个大型实验平台在试验和培训研究团队、测试诊断技术与材料等方面的价值远超其纯粹的能量利用率指标。
地震风险与运行历史 在1980年1月24日发生的利弗莫尔地区地震对Shiva设施造成了实际影响,设备上的部分螺栓被剪断,系统不得不进行维修后在一个月内恢复运行。Shiva在1977年建成后一直运行到1981年被拆除,其目标室与若干诊断仪器后来被用于Novette装置。Shiva在其运行寿命中实现的最大中子产额约为10^10到10^11个中子每次,虽然未达到点燃的门槛,但为理解聚变燃料的响应机制和激光等离子体相互作用提供了宝贵数据。 从失败中提炼成功路径 有时候,科学的重大进展来自于"失败"的清晰反馈。Shiva正是一个典型例子:虽然未能直接实现点燃,但它揭示了红外驱动在能量耦合方面的内在局限性,进而促使社区去研发频率三倍化(将近红外转换为紫外)、改进光学材料与空间滤波策略、并重视对高能电子产生与抑制的物理控制。此类转向最终塑造了随后的Nova系统设计,也间接影响了后世大型激光装置(包括国家点火装置等)的工程路线与物理优先级。
文化与命名的意义 Shiva一名来源于印度教中的多臂神祇,象征着多方向、多臂同时作用的形象,恰与该激光装置由二十束光束协同作用的结构特征相契合。命名背后也反映了当时科研团队对装置规模与复杂性的一种直观表达。值得一提的是,Shiva的靶室景象与设备结构曾出现在流行文化的影像作品中,使其在科学史之外也获得了一定的公众可见度。 结语:历史地位与对未来的启示 Shiva激光在惯性约束聚变研究史上占据重要的桥梁性地位。它将早期小型实验的设计原则扩展到大型多束装置,同时以详尽的诊断与实验数据揭示了红外驱动的物理短板,促成了向紫外频率驱动的重大转变。今天回顾Shiva,既是缅怀一段硬核实验物理的发展史,也是对科学研究中"通过实验发现意外问题并据此改进设计"这一普适过程的生动说明。
未来无论是致力于能源的聚变研究,还是发展高功率激光与相互作用物理,Shiva的经验都仍然具有重要的参考价值。 。
