滨松光电成功打造出10赫兹的100J高能激光脉冲系统

2023-01-16 10:14

1月12日，日本滨松光子（Hamamatsu Photonics）宣布成功地打造出能量为100焦耳（J）、重复频率为10赫兹（Hz）的激光脉冲，这是通过增加脉冲激光系统的激光介质的冷却能力以及优化用于泵浦的激光二极管（LD）模块的输出来实现的。

为了使激光聚变成为现实，需要用脉冲激光以10赫兹的高重复频率有效地照射聚变燃料，产生高达1兆焦耳（MJ）的脉冲激光。该系统使用多个放大器将振荡器输出的10Hz激光能量从1 μJ提高到100 J。

滨松光子成功实现10Hz高重复频率、100J能量的激光脉冲

（图片来源：Hamamatsu Photonics）

激光聚变是一种通过激光产生核聚变的技术，主要手段是用高功率激光照射含有氘和氚的燃料靶丸。上述滨松光子的研究中，激光聚变需要能量高达1 MJ的脉冲激光器以10Hz的高重复频率辐照聚变燃料。为了实现这一目标，滨松光子的研究人员们着手开展研究和开发使用激光放大器的高能、高重复率脉冲激光系统，其中激光介质由LD模块泵浦，并由氦气高效冷却。

早在2021年，滨松光子就与日本国家研究开发机构新能源和工业技术开发组织（NEDO）合作开发了一种脉冲激光系统，可产生0．2 Hz的250焦耳激光脉冲，平均输出功率为50 W，这是当时全球泵浦激光器中最高的能量水平。此后，滨松光子一直在努力提高重复频率，然而让他们无奈的是——增加重复频率的同时，激光介质的温度会提高，而其光学特性会被削减。

针对这种情况，滨松光子改进了激光介质的冷却机制，增加了氦气的流量，从而提高了激光介质的冷却能力。滨松光子还优化了泵浦LD模块的输出，以防止激光介质温度上升。这也将激光介质特性的耗损达到了最低，并成功在10 Hz高重复频率下输出100 J脉冲激光，平均输出功率为1千瓦。

这项研究的结果证实了通过扩大激光系统来增加平均输出功率的可能性，建立了一种以10 Hz产生1 kJ激光脉冲的技术，或将成为激光聚变道路上的一个重要里程碑。下一步，滨松光子们将继续研发改进他们的技术，以10赫兹产生250 J的激光脉冲。

当下，激光是实现核聚变的两大主流方案路线之一，这种方法更容易打造一个更紧凑的聚变反应堆。自20世纪70年代以来，主要是美国、日本和欧洲对激光核聚变进行了大量的研究和开发工作。在全球各地的主要激光聚变研究设施中，正在使用大型闪光灯泵浦激光设备进行大规模演示实验，以实现高增益，将输出能量提高到输入能量的100倍左右。

然而，由于冷却激光介质需要时间，激光照射的次数限制在一天几次。目前的推论是，为了使激光聚变成为现实，聚变反应必须以高重复率发生，产生的能量必须不断提取。我们的目标是建立一种技术，以10Hz的1MJ脉冲激光辐照聚变燃料。

该公司将于2023年1月18日至20日在WINC爱知（日本名古屋中村区）举行的“日本激光学会第43届年会”（43rd Annual Meeting of the Laser Society of Japan）的研讨会和一般讲座上介绍这项研究的结果。