文/Sally Cole Johnson

图1：一名研究人员手持用于激光应用的高反射镜；该技术正针对激光核聚变应用进行优化。（图片来源：弗劳恩霍夫 IOF）

若想要在21世纪40年代或 50 年代将商用的激光驱动的核聚变能源接入电网，除了激光技术的进步外，还需要高精度的光学元件来满足严苛的光学、机械和热性能指标，以承受极端的工作环境。

目前激光驱动的核聚变技术正在加速研发，旨在为电网提供无碳能源，并有望助力地球生态保护。尽管商业化的激光核聚变发电站的设计方案仍在持续演进，但是德国科学家和工程师已经描绘出2035年之后的宏伟蓝图：一座激光核聚变发电站将配备约400条光束线。

尽管设计仍在不断完善中，但是一个配备约400条光束线的商业化激光核聚变发电站将需要约 7000 个光学元件，其中包括约3200 个经过精心设计的反射镜，用于优化核聚变实验的效能。

德国耶拿弗劳恩霍夫应用光学与精密工程研究所（Fraunhofer IOF）功能表面与镀膜部门科学协调员兼副主任Nadja Felde表示：“这些反射镜必须满足严苛的光学、机械和热性能指标，以承受激光核聚变发电站内部的极端环境——而目前尚未有技术能同时完全满足这些要求。”

Fraunhofer IOF对用于激光核聚变的高精度光学元件的探索，源于数十年的专注研究与开创性的光学和光子学创新。“在过去的25年间，我们已经建立了成熟的工艺链，能够设计和制造从 500mm到米级的高质量光学元件，其中涵盖平面和自由曲面几何结构。”Felde说道。

“开发卓越的光学元件对推进激光核聚变技术至关重要，”Felde解释道，“这项技术有望彻底改变我们的能源格局。”

SHARP 联盟应对核聚变用高精度光学元件挑战

德国的“拍瓦级可扩展高功率反射镜”（SHARP）联盟，通过德国联邦教育与研究部（BMBF）的“核聚变2040：通往核聚变发电站之路的研究”计划，获得了920万欧元（1040万美元）的核聚变研发资金。目前，肖特集团、LAYERTEC GmbH、asphericon GmbH、3D-Micromac AG、optiX fab GmbH、Cutting Edge Coatings GmbH、robeko GmbH & Co.KG、汉诺威激光中心（Laser Zentrum Hannover e.V.）、Fraunhofer IOF以及弗劳恩霍夫材料与系统微结构研究所（Fraunhofer IMWS）正联合开展研究，探索以下领域：

· 控制大面积反射镜的热性能以维持高性能；

· 开发超抛光、曲面、大面积光学元件的制造技术；

· 实施零缺陷清洁策略与基底优化；

· 热稳定化与主动冷却；

· 创造具有创新热管理解决方案的光学镀膜。

“能加入这样一个汇聚德国光学工艺链领域的科研与工业界关键参与者的杰出联盟，确实意义非凡，”Felde说，“最令人兴奋的是能为商用激光核聚变发电站迈出第一步贡献力量。站在变革性领域前沿的感觉令人振奋，这也激励着我和Fraunhofer IOF的同事们不断突破激光核聚变技术的可能边界。”

作为SHARP总体目标的一部分，“Fraunhofer IOF正在为高性能反射镜的基底制造技术、用于基底冷却的硅酸盐键合与等离子体活化键合技术、新型镀膜技术以及热稳定且耐激光损伤反射镜的表征方法，奠定科学与技术基础。”Felde说道。

在基底方面，“我们正在开发组合研磨与抛光工艺，以创造新一代超抛光表面，”Felde解释道，“我们正在研究消除基底表面层内缺陷的方法，以及大面积基底的清洁和处理策略——目标是实现零缺陷。同时，我们也在探索各种具有不同热膨胀系数、适用于激光聚变的基底材料，如熔融石英、超低膨胀（ULE）玻璃、硼硅酸盐玻璃（Borofloat 33）和微晶玻璃（Zerodur）。”

该联盟的主要重点是通过系统整体的基底侧冷却，实现整个系统的热稳定和主动调节。“我们正在开发新方法，以创造热稳定且热学优化的镀膜设计，并确保足够低的微量元素含量。”Felde说，“设计具有更高热导率的镀膜系统，可能会减少通常与传统介质反射镜镀膜相关的热阻，因此我们也在探索量子纳米层压板、金属增强反射镜，以及使用光学透明的类金刚石碳（DLC）等材料。”

除了激光核聚变外，SHARP联盟所瞄准的技术进展，也有望应用于其他未来市场，如高功率激光应用和激光材料加工。“从该项目中获得的知识也可能对空间通信非常有用，特别是对于下一代极紫外（EUV）光刻的基底和镀膜技术。”Felde说道。

极端条件下的热稳定性

激光核聚变涉及极端热量，所有光学元件都必须能够承受这种环境。例如，分布在约400条光束线上的激光反射镜，必须长时间承受极端负荷。“激光核聚变反应堆具备高激光脉冲能量，且平均功率可高达100MW——这意味着单个光学元件要承受高达1MW的功率。”Felde说道。

即使材料吸收率低且热导率差，“也可能发生显著的温度升高，导致波前畸变、裂纹和烧蚀效应。”Felde指出，“每条光束线上众多的反射镜也会加剧热诱导变形。过去的激光光学研究主要关注激光诱导损伤阈值，但未来的考量将取决于连续运行期间的热吸收问题。”

这使得开发具有高导热性和高反射率的元件，对激光核聚变发电站至关重要。这需要深入理解项目中各种方法所涉及的材料、镀膜技术、结构及设计相关的热学属性。

“对于基底冷却，激光内部加工将采用流动辅助激光烧蚀（FSLA）技术，以及通过无中间层的键合方法（如硅酸盐键合和等离子体活化键合）进行玻璃连接。” Felde说，“在镀膜方面，我们将探索超材料，例如纳米叠层结构（nanolaminates）和异质结构，并使用不同的沉积技术，如离子束溅射（IBS）、磁控溅射、原子层沉积（ALD）。此外，金属混合反射镜（metal-hybrid mirrors）的开发和测试将着眼于增强热导率。”

预计能够承受10亿次脉冲发射的使用寿命，大约相当于在10Hz重复频率下运行3年；而未来激光核聚变发电站的经济效益和生态平衡，则取决于工艺的可扩展性。“这包括适用于约12英寸高功率激光束的光学元件尺寸，以及所有在激光损伤后需要更换或再生的光学元件，”Felde补充说，“而生产的适用性则由‘满足95%的良品率、生产效率最大化和成本最小化’来定义。”

制造大面积光学元件

制造大面积光学元件是另一项持续存在的挑战，而以低成本实现所需的高质量则是一个重大障碍。开发高效的工艺链至关重要，它能实现大量元件的可靠生产，确保制造的所有光学元件具有一致性和所需的精度，这对于满足激光核聚变应用的严格要求必不可少。

这需要解决热稳定性、表面质量和光学性能等问题。“促进供应链内不同参与者之间的协作，对于知识共享、工艺优化和推动创新至关重要。通过克服这些挑战，我们能为可扩展且经济可行的激光核聚变技术解决方案铺平道路。”Felde说道。

图2：Fraunhofer IOF的SHARP项目团队在一台批量式ALD镀膜设备前工作，该设备用于对复杂形状的大面积基底进行精密可控的镀膜。（图片来源：Fraunhofer IOF）

与时间赛跑

虽然该联盟工作的主要应用目标是激光核聚变，但建造激光核聚变发电站所需的技术还远未完全开发出来。

“要实现一个功能完善、且经济可行的核聚变发电站向电网供电，还需要时间。”Felde说，“为激光核聚变发电站开发必要的技术方案和组件的研发阶段，预计将持续到21世纪30年代上半叶——包括我们的SHARP项目。我们预计技术转化阶段将在2040年左右开始，而首批投入运营的核聚变发电站也有望将在同一时间段内建成。”

除了在光束线部分整体应用激光核聚变系统外，基础技术的二次应用也在开发中，包括用于高功率激光应用、激光材料加工，以及用于EUV光刻的下一代基底和镀膜。

光学元件内的热诱导效应是许多工业应用的限制因素。“对于下一代激光通信终端，由于连续波（CW）激光功率的增加，必须考虑有效的温度管理，以避免波前误差。”Felde说，“在碟片激光器中，反射镜会导致温度升高，这在泵浦功率水平较高时会成为问题。”

激光材料加工中的高反射率元件同样承受着巨大的热负荷。在EUV光刻应用中，即使是低吸收水平或热梯度也可能导致相当大的成像误差。该团队正在积极开发替代方案以应对这些挑战。

随着SHARP项目的正式启动，Felde和同事们正处于深入技术开发的初始阶段，她表示该阶段“需要在逐步扩大至大面积光学元件之前，对概念方案进行严格的测试和验证”。