再造太阳
激光核聚变把宇宙中最大的物理现象从太空搬到了地球上的实验室。近来，经过科学家们的不懈努力，激光核聚变终于点火成功。这是一个具有里程碑意义的成就，其意义堪比莱特兄弟的第一架飞机试飞成功。现在，人类也正式迈入利用商业化核聚变提供清洁、无限、无碳能源的赛道。阅读更多，了解肖特光学玻璃对此的贡献。
肖特特种玻璃为NIF的激光聚变研究赋能
- 美国加利福尼亚州 NIF 的科学家于 2022 年 12 月首次实现了核聚变点火。
- 这一科学突破为该技术的商业化奠定了基础，并可为未来创造取之不尽、用之不竭的无碳能源。
- 肖特的钕和磷酸盐玻璃以及浮法硼硅酸盐玻璃是激光放大和保护不同光学器件的重要组件。
这场核聚变大秀的表演舞台小如指尖。一个2毫米黑胡椒般大小的氢同位素固体胶囊被精确置于重达130吨的焊接铝目标靶室，装置启动后开始复制太阳的自然活动现象。
胶囊被置于192个激光束和4万个光学元件的中心，这些元件包括激光器、激光反射镜、波片、激光放大器和偏振器。这个世界最大激光科学建设项目位于国家点火设施(NIF)，占地70万平方英尺，隶属于美国能源部设在加利福尼亚州的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)。
很快你将会明白为什么这里被戏称为“地球上智慧最集中的空间”——大约800名员工正试图在实验室里打造出一个人造太阳，每个实验细节控制到纳米级别，做到尽量精确。
几十年来，美国国家点火设施(NIF)的研究人员一直在努力实现核聚变点火——一种通过迫使原子聚合达成能量释放多于能量消耗的反应。科学家们很兴奋，这项伟大工程将使人类更接近无限的、可持续的、真正的无碳清洁能源。
尽管聚变能一直以来受到批评，但在2022年12月5日凌晨，美国国家点火设施(NIF)的研究人员凭借里程碑式的成就登上世界各地新闻头条：他们成功地实现了点火，创造了首个1.5倍能量增益。实验产生了3.15兆焦耳(MJ)的聚变能量输出，约等于三根炸药产生的能量。
激光物理学家、美国国家点火设施（NIF）运营总监布鲁诺·范·文特海姆（Bruno Van Wonterghem）说:“利用现有的激光和额外的能量令人难以置信又激动不已。即使在这个操作点上，我们仍然有很多牌可以打。我们仍然可以改进靶材、提高靶材完成度、改进不完美的地方，这样就可以从激光中获得更多的能量、动力和精度。”
专家们将这一历史性成就比作莱特兄弟的第一次飞行，他们的首飞只飞行了120英尺。聚变能源的商业化之路道仍旧漫长，但去年12月初的成功点火充分证明了其可能性。
激光发射的内在原理是什么？
国家点火设施（NIF）每次实验或“发射”，激光会在5微秒内移动1500米。然而，解释其中的原理要花费更久。
当控制室中的按钮启动，一个十亿分之一焦耳的激光脉冲就会通过光纤传送到48个激光钕玻璃前置放大器。随后，这些放大器将激光脉冲的能量增强数十亿倍，并给它们塑形。
48束激光重新分成4束，将脉冲注入192束激光放大器，这些激光束的大小约为40 x 40平方厘米。激光反射镜和透镜引导每个激光束通过两个大型磷酸盐钕玻璃放大器。在主放大器中有一个特殊的光学开关，使激光能够来回传播四次。与此同时，特殊可变形的反射镜、空间滤波器和其他设备则确保每个激光束呈现高质量、均匀和光滑的特质。
从那里，激光束进入两个10层楼高的开关站（国家点火装置），射向目标靶室。在穿过开关站进入目标湾后，光束穿过位于目标靶室前的光学组件，将400万焦耳的红外能量转换为200万焦耳的紫外线能量。紫外线能量波长较短，更容易点燃。
蓝色紫外线射入靶材，在那里发生核聚变。国家点火设施（NIF）的创建是为了实现地球上其他任何地方都无法达到的温度和压力。国家点火设施（NIF）的激光将燃料压缩到铅密度的100倍，并将其加热到高于1亿摄氏度，是太阳中心温度的7倍多。在十亿分之一秒的瞬间，国家点火设施（NIF）成为太阳系中最热的地方。
国家点火设施（NIF）每年进行约400次激光发射。其中一部分是大学和其他合作伙伴开展的探索性科学实验，其余大部分是美国能源部防御项目的内部研究实验。为了实现点火，国家点火设施（NIF）通常每月进行两次高功率激光发射。激光玻璃在每次实验中都起到举足轻重的作用。国家点火设施（NIF）通过不断改进玻璃或其他光学系统来提高激光发射频率，增大激光输出能量和功率。
“光学元件和系统的研发好比剥洋葱。”国家点火设施（NIF）光学与材料科学与技术项目主任塔亚布·苏拉特瓦拉（Tayyab Suratwala）说道:“ 客户受益于每一次光学系统改进。每当旋钮启动，新的损伤也随之而来，我们必须解决这些问题。因此，提高光学系统性能是一项长期工作。”
关于塔亚布·苏拉特瓦拉（Tayyab Suratwala）
塔亚布·苏拉特瓦拉（Tayyab Suratwala）本科毕业于美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的陶瓷科学与工程专业，随后获得美国亚利桑那大学的材料科学与工程专业博士学位。在入职国家点火设施（NIF）初期，塔亚布（Tayyab）从事磷酸钕玻璃方面的相关工作，目前已任职超过25年。他对国家点火设施（NIF）的光学系统和靶材研发都做出了贡献，如今是光学团队掌门人。
激光玻璃的重要作用
国家点火装置（NIF）建立于1997年，然而早在此前12年，劳伦斯利弗莫尔国家实验室就已经与肖特这样的制造商合作研发用于核聚变实验的激光玻璃。基于国家点火装置（NIF）的前身—— NOVA激光聚变装置进行的实验，科学家们意识到他们需要一种新的玻璃成分。
通过与国家点火装置（NIF）的合作，肖特更好地认识到玻璃成分的改变对机械性能、激光特性和可制造性会产生何种影响。当时，公司在美国的生产基地规模不大，玻璃的生产速度无法跟上国家点火装置（NIF）的需求，需要提高生产熟练度。
在宾夕法尼亚州杜里埃的工厂里，肖特的光学专家通过全新的连续熔融工艺，制造出大尺寸玻璃板，而且可以将其切割成小块。相比之前每天只能生产一块玻璃基板，生产效率得到极大提升。为了达到国家点火装置（NIF）的产品要求，玻璃科学家运用了大量硬件和材料方面的专业知识来完成这次生产大跃进。
“为了找到合适的玻璃来满足这项特殊的产品要求，我们进行了重点研发。”肖特北美公司研发主管比尔•詹姆斯（Bill James）表示：“我们团队的乔·海登（Joe Hayden）和劳伦斯利弗莫尔国家实验室的杰克·坎贝尔（Jack Campbell）在化学和光学物理方面的真知灼见起到了关键作用。正是上述两个领域的发现帮助我们成功地生产出‘无铂激光玻璃’。”
在劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）出版的一本著作中，记载了所有的试验故事、数十年的研发与合作以及最终的产品成果。2000年至2004年间，肖特交付了4000块LG-770激光玻璃。国家点火设施（NIF）至今仍在使用这种磷酸盐玻璃。肖特位于德国耶拿的工厂每年向国家点火设施（NIF）稳定供应BOROFLOAT®玻璃，该产品主要用于碎片防护或制作反射镜所需的基板玻璃。
核聚变能源与未来
人类一直在追寻清洁的可再生能源，近年来更是受到越来越高的关注度。2022年美国政府发起了一项倡议，号召未来10年加速实现核聚变能源商业化。
肖特激光玻璃产品经理杰诺·韦伯（Gernot Weber）说：“这将是一场旷日持久的马拉松，绝对不会是一场速战速决的百米冲刺。对于私营企业、政府以及为核聚变能源的研究与开发提供材料和技术的相关人员来说，还有很多个百米冲刺要跑。”
美国国家点火设施（NIF）此次实验的能量效率低于1%，尚无法应用至大规模发电。范·万特海姆（Van Wonterghem）预测，未来，国家点火设施（NIF）需要每秒发射10次的高效激光器以及一个反应室，用于控制并利用能量，将中子能量转化为蒸汽。转化来的蒸汽会驱动涡轮机产生电能。国家实验室与企业和学术界合作的长期目标是建立一个示范工厂，装备近乎完美的光学系统——不易损坏，能承受数十亿次级别的激光发射，还能优化激光能量增益。
靶材是另一个需要提升效率的领域。制造靶材需要花费大量的时间和资金，科学家们需要一种创新的设计来实现大规模生产，以降低时间和经济成本。激光也要从每天发射一次，增加到每秒发射十次。
作为西半球唯一的大尺寸激光玻璃制造商，肖特以国家点火设施（NIF）的成功点火为契机，其激光玻璃业务有望进一步拓展。在人类探索建立未来能源工厂的道路上，激光玻璃将发挥主导作用；同时，这也是践行公司可持续发展目标的一次重要尝试。
关于布鲁诺·范·文特海姆（Bruno Van Wonterghem）
布鲁诺·范·文特海姆（Bruno Van Wonterghem）以优异成绩毕业于比利时鲁汶大学（University of Leuven），获得物理化学博士、硕士和学士学位。加入美国国家点火设施（NIF）之前，他在学术界研发了用于等离子体研究的激光系统。1992年布鲁诺（Bruno）加入国家点火设施（NIF），开始打造国家点火设施的原型；1998年任启动计划的经理，2001年任设备调试经理，2008年被公司任命为运营总监。
“现在是时候着手汇集一切资源、顶级工程学和科学人才，大家共同努力，力争在接下来的几十年实现我们的梦想，” 范·文特海姆（Van Wonterghem）说：“这需要把最顶尖的技术应用到光学系统、靶材、激光器、激光二极管和靶室材料。这些材料必须能耐受极高的中子通量，因为中子会对材料产生不良影响。它会使光学系统变暗、金属变脆，所以我们必须解决和应对这些问题。把国家点火设施（NIF）先变成一座真正的光子工厂，再变成一座中子工厂，然后建造一座聚变能发电厂。”
制造能力和科学智慧有机结合，形成合力解决这个当代最具影响力的挑战，这种合作伙伴关系将大大提升这项工作的效率。
