惯性约束聚变学术泰斗：激光可定义 21 世纪
惯性约束聚变学术泰斗：激光可定义 21 世纪编者按：
Vladimir Tikhonchuk 教授是法国波尔多大学 CELIA 强激光与应用中心名誉教授，欧盟极端光强基础设施 ELI-Beamlines 装置（捷克）高级研究员。研究领域是高能量密度物理和非线性光学，包括惯性约束聚变、实验室天体物理、激光等离子体相互作用、参量不稳定性、磁场与电场产生、带电粒子加速和能量输运等。
他在俄罗斯科学院列别捷夫物理研究所（莫斯科）获得理学博士学位，是法兰西大学学院高级成员、美国核学会 Edward Teller 奖获得者、Physical Review Letters 分部副主编、欧洲物理学会等离子体物理委员会成员，先后指导研究生和博士后 30 多名，发表学术论文 500 多篇。下文是上海光机所副研究员朱坪近期对 Tikhonchuk 教授的采访。
来源 |《中国激光》杂志社
下述内容中，以“Zhu”代表朱坪，“Tikhonchuk”代表 Vladimir Tikhonchuk 。
Zhu ：Vladimir Tikhonchuk 教授您好，很荣幸能够在今天采访到您。作为惯性约束聚变领域内的学术泰斗，您能否评价一下近期激光聚变领域产生的巨大突破（编注：指美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室去年底实现核聚变点火，并在核聚变反应中实现净能量增益）？
Tikhonchuk ：这是一项真正的研究突破，不仅对我个人，甚至是对整个研究领域，都有着极其深刻的意义。我个人职业生涯就在惯性约束聚变（Inertial Confinement Fusion, ICF）领域第一篇文章发表时起步（论文作者单位就在我的故乡莫斯科），同时美国的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室 (Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL）也发表了相关的理论文章。经过五十余载的漫长等候，我们终于迎来了这项里程碑式的研究。在过去十年间，这个领域一直饱受质疑，领域内的许多年轻人才因长时间难以攻克聚变点火的技术难关而不断流失。但激光聚变就是这样一项需要数代人长期投入的研究，它不是人类历史上对未知的首次长周期的科学探索，同样也不会是最后一次。
在这里，我要感谢我在 LLNL 的同事们，他们在十年间顶住了来自各方的压力，用勇气和行动迈出了人类科技史上的关键一步，我相信，为了这个结果，再多 5 年或 10 年的等待都是值得的。技术攻关的艰苦岁月难以逾越，但当技术突破产生的时刻，通往更加广泛应用研究的大门便被缓缓推开。LLNL 的工作证明了激光在聚变点火方面的应用潜力，这也是它作为领域内里程碑式事件的意义所在。我笃信，下一项技术突破将与我们在未来某天不期而遇，届时激光点火装置将释放出更高的能量。尽管 LLNL 的工作可能不是聚变点火的最优解，但其无疑是十分可靠的；此外，它也在全球范围内引起了许多学术讨论，这使得我们的事业能够被更多人所看见，而这也正是我所希望的。我非常感谢这一突破。
Zhu ：激光聚变领域目前所面临的主要挑战是什么？目前有哪些科学与技术问题亟待解决？
Tikhonchuk ：目前，激光聚变研究面临的挑战不胜枚举。从科学层面讲，这项研究面临的首要挑战就是其可重复性与鲁棒性需要被严格证明。简单地说就是，你需要在一天内连续不断地成功点火，而不是间隔一年之久，同时要求能量产生过程可以通过不同方式实现。目前，我们产出的能量仅大于驱动激光的能量。但真正应该实现的是净能量增益，我们需要将能量产出提升数百倍。在设计ICF靶时也应该考虑到上述问题，面向实际应用需求，将频率设为每秒多次点火，那么靶就应该尽可能的简单、经济，能够大规模生产的。这是激光聚变点火所面临的物理学挑战之一，这也是未来 5 到 10 年的工作重点。
从技术层面讲，激光聚变目前正面临许多的技术挑战。首先就是激光器。激光作为一种特殊的驱动源，可以将光子集中在一个极小的体积内，在这个空间会发生内爆、加热等奇妙的物理过程。但实事求是地讲，那些发表在论文上的高功率激光器，运行稳定性往往不尽人意。美国 NIF 装置一年只能提供 500 发可用发次，法国 LMJ 装置每年仅能提供 40 发可用发次，这距离我们所需要的还很远。如果你想要一台激光器全天候运行，那么就不可能经常性地去更换其中的光学器件。因此，维持激光器的稳定运转是一项具有重要意义的技术挑战。
同时，激光器波长的选择也是一道难题。能量产生形式是一个开放式的命题，不同的技术选择会产生不同的可能。如今最可靠的激光器当属基于玻璃介质的固体激光器，通过频率转换技术能够选择激光器输出波长。目前，三倍频仍然是多数选择，这是因为四倍频激光会对光学元件产生较大损伤，而二倍频激光往往会引起许多有害的不稳定性过程。三倍频成为了二倍频和四倍频之间的平衡。但它并不是持续稳定运行的最优解。如果你选择了玻璃激光器，那么大概率会采用二倍频的技术路线。在欧洲，我们正在考虑这个技术路线，但是二倍频激光的稳定运行、二倍频激光的有效利用等问题仍然是挑战。除此之外，极具竞争力的候选者还包括准分子激光器，它们具有较高效率，但结构复杂，且面临从低密度气体介质中获取大能量的困难。
以上是激光器所带来的技术挑战，而在反应堆方面也存在技术挑战。我们与磁约束聚变面临着相同的问题，反应堆第一壁的材料目前还没有很好的解决方案。在裂变反应堆中主要是低能中子引起的破坏，因此人们通过每月定期更换元件来解决老化问题；但是对于聚变反应堆，中子能量更高，损伤更严重，每月更换聚变腔体无法满足实际需求。因此反应堆材料是目前亟需解决的问题，非常具有挑战性。
Zhu ：您认为未来激光聚变驱动器会是什么样？它会有哪些关键特征？
Tikhonchuk ：正如我在上个问题中所提到的，大概率第一个版本的激光聚变驱动器是固体激光器，二倍频的固体激光器是发展最为成熟的选择。作为基础版，能够产生从两百到数千焦的单脉冲能量。未来几年内，我确信我们会迅速研制出这种分钟级的闪光灯泵浦模式的激光光源。虽然由于半导体泵浦成本过高，无法实现 Hz 级重复频率，但这样的激光器我们有能力需要多少台就可以建造多少台。因此我认为，在不远的将来，主流激光驱动器将是二倍频的固体激光器。
重复频率是面向聚变能激光器的关键特征。我认为可以分为三步：第一步，采用传统但智能的闪光灯泵浦，以分钟级的重复频率运行；第二步，二极管泵浦，重复频率在秒量级。这不仅仅是我个人的看法，我们同行之间都有着相同的观点。现在进展还没有达到商业水平，还在演示阶段。演示主要功能，开发主要器件并测试，这将开启第三步技术改进和商业化。对科学家和工程师来说，责任是开发商业能源的科学和技术背景。
期间也许其他类型的激光器也会出现，例如准分子激光器或者光纤激光器。光纤激光器现在已经商业化使用，非常可靠，但目前的功率很低。我们所讨论的是能够提供高能量、高功率和高效率的激光器。
Zhu ：对于惯性约束聚变能源，您是怎样的看法？
Tikhonchuk ：我一直是一个乐观的人，我认为这是非常具有研究价值且是未来不可或缺的能源途径。我们通常会把磁约束和惯性约束二者进行比较：在磁约束聚变中，强磁场由巨大的超导线圈产生，需要极低温的条件；而聚变反应过程中，磁场中的等离子体又会处于高热的状态，并且产生极高的能量通量。如果你亲眼见到磁约束聚变装置，你会惊叹这种冷热结合的复杂性。幸运的是，在惯性约束聚变中，我们可以分离激光器和反应堆室，独立的模块化结构为工程提供了更大的空间。这也是惯性约束聚变的一大优势。
磁约束聚变的另一个局限是每个单元模块能产生的最小能量。想要提升装置产生的总能量，磁约束聚变装置体积需要越大越好。而对于惯性约束聚变，情况可能恰恰相反。我们最终可能会达到 100 MW 左右规模，它的整体空间更紧凑、成本更低，并且能够在需要能源的现场进行工作。主要的限制因素是腔室的大小，其受限于壁上的能量通量。对于千兆瓦级别，如果腔室很小，腔室面临的能量通量就会很大。这就是我所说的，材料是一个巨大的挑战。如果我们设计出能够承受高能量通量的材料，我们就能够制造一个更小的腔室，反应堆的成本也会降低很多。
所以，我确实看到了惯性约束聚变在能源应用中的潜力，但它很复杂，也很有挑战性。好比内燃机是一百多年前发明的，期间它取得了显著的进步，直到现在它才被电动发动机部分取代。因此，惯性聚变能源将会随着时间而发展。
Zhu ：您能否对超短超强激光的发展及应用作出评价？对于激光聚变研究，未来有可能产生的贡献有哪些？
Tikhonchuk ：这个问题对我来说有点复杂。欧洲在超短超强激光方面是领先的，我们也需要纳秒激光。超短超强激光技术发展的带头人法国科学家 Gérard Mourou 在此方向上做了很多工作，他个人的科研愿景是获得最高峰值功率的激光器。如果能够得到更高功率的激光器，物理学研究也将因此受益。这里的高功率指的是拍瓦量级（1 PW = 1015 W），10 PW 激光系统已经建成，100 PW 激光装置也正在建设之中。
但是，从物理机制上讲，之所以能够获得如此高的功率，是因为脉冲的持续时间非常短，单个激光脉冲的能量水平其实是受限的。当你将脉宽压缩至 1 ps 以下时，激光能够与轻的粒子相互作用，诸如电子、正电子、光子、介子等。这属于量子电动力学范畴，是一个非常有趣的领域，有许多非常具有挑战性的科学问题。然而说到惯性约束聚变，我们需要移动重粒子，因为只有重粒子才能产生能量。尽管从这个角度来看，超短脉冲激光无法用于产生能量，但是基于超短超强激光的快点火路线还是值得一提的。快点火方案在二十五年前被提出，目前有多个团队正在推动快点火相关的研究，他们就需要超高功率的超短脉冲激光。
在我看来，超短超强激光在产生高能粒子与次级辐射源方面更有用。当我们要进行惯性聚变实验研究时，我们需要发展高性能的诊断能力，这时超短脉冲激光就不可或缺了。如果没有可靠的诊断手段，我们便是在盲人摸象。LLNL 的研究经历了大约十年的停滞，正是因为 NIF 没有配备充足的、合适的诊断设备。在这十年中，研究人员发展了众多性能优越的诊断设备，使得他们真正能够有效地去调控激光聚变过程。这些诊断设备对最终成功点火而言意义非凡。所以，超短脉冲激光的迅速发展有着巨大的意义，超短脉冲激光对于聚变过程诊断来说是必不可少的，同时它的发展与大能量激光驱动器的发展也是相辅相成的关系。
Zhu ：您能否向我们分享您对于高功率激光物理未来发展的愿景？未来会转化出哪些实际的应用？
Tikhonchuk ：因为科学技术发展实在太快了，很难预测未来百年会出现什么新事物。回首过去，你可以说二十世纪是一个属于电子的世纪，电子产品在二十世纪四十年代出现，仅历经了三四十年的发展便趋于成熟；展望未来，我能够很有自信地说，二十一世纪是一个光的纪元，各种各样光学相关的产品被创造出来，在各种应用场合逐渐发生着原位替代作用。因此，我认为激光一词可能是最能够定义本世纪的。商用激光器公司将会更关注高重频，因为激光加工是一个正在持续增长的市场。除了激光加工之外，高功率激光与大能量激光也会在很多领域产生变革。惯性约束聚变正是其中之一，如果我们能够启动惯性约束聚变能源项目，这将会大大促进高功率激光与大能量激光的发展。
高功率激光另一个有前景的领域是产生高能粒子与次级辐射源，它能带来很多积极的改变，例如对不透明物体的射线照相、激光驱动粒子源用于医疗诊断和治疗以及高功率中子源。利用紧凑型高功率激光加速器产生中子或高能光子，一些私营公司已经致力于开发这些具有非常应用前景的设备。物理学家们也需要高功率激光器。所以激光技术将得到不断地发展，只是问题在于如何平衡直接面向社会的应用和大科学工程项目的发展。直接面向社会的应用能够直接通过私营公司和学术团体来实现，但是像聚变能源这样的大科学工程项目需要国家级甚至国际的大规模科学与技术的协同合作发展。
Zhu ：您为何会选择走学术研究的职业发展道路？是什么促使您从事高能量密度物理学的研究？
Tikhonchuk ：从事学术研究需要对新奇事物保持好奇，在此我也想给年轻一代提个建议：如果你对某个领域葆有好奇心，学术研究的职业发展道路能够给你探索好奇心的机会；如果你对实际应用问题更感兴趣，工程技术也是一个不错的选择，可以在解决问题的过程中展示自己的能力，并提升自己。就我自身而言，对好奇心的追求几乎贯穿了我的整个生命，甚至我会并行地开展多个研究工作。我热衷于研究小尺度下的非线性光学效应，我们在这个领域做了很多有趣的事情，同时我也喜欢以能源生产为使命的高能量密度物理。
学术生涯对我来说更像是一种自然选择。在我大学毕业时，恰逢激光诞生了。上世纪六十年代初，人们在试图将激光的应用图景拓展到社会生活的方方面面，而其中将激光与核反应相结合，则无疑是一个伟大的想法。这个想法由苏联科学家 Nikolai Gennadievich Basov 所提出，他正是我学术生涯启航的研究所的所长。
在 1972 年，美国科学家 John Nuckolls 和他的同事在美国的学术会议上提出 ICF 设想，同时 Basov 的论文也被会议集所收录。与此同时，一些法国同行也申请了激光聚变能源相关的专利。就我自己而言，1971 年我完成了自己的硕士论文，我的硕士论文导师是俄罗斯科学家 Viktor Pavlovich Silin ，我们当时正集中精力研究电磁波驱动的参量不稳定性问题，并认为参量不稳定性也会影响惯性约束聚变。Basov 读到了论文后自然找到了 Silin ，研究激光的学者问我是否有意去从事激光相关的参量不稳定性研究。
我与激光便自此结缘，我博士论文主要研究了激光与等离子体相互作用的非线性过程。高能量密度物理学一词出现的时间要晚一些，当时我们称之为激光等离子体相互作用，在此基础上一步步地向激光聚变方向前进。那两篇重要论文发表的两年后，我们研究所就已经有了 8 路激光装置，我们开始研究激光与等离子体相互作用有哪些不稳定性会产生。从此惯性约束聚变和高能量密度物理学就进入了我的人生。
Zhu ：您提到了学术好奇心的重要性。那么以您个人的经历来看，如何保持学术热情与创造力？
Tikhonchuk ：这一点非常有趣，如果你总在一个项目上长期工作，难免会生出厌倦之感，因为你已经知道自己在做什么，并且要多次重复，这对发展好奇心而言并无太大益处。就我个人而言，我曾多次（至少三到四次）产生这种感觉。在这种情况下，你需要改变研究对象。但我所说的改变，并不是跳到一个你完全陌生的领域中，从零开始的学习效率并不高。你真正要做的改变，是基于你已有的知识背景去探索或结合新的研究方向。
比如我本人，这种改变就像是漫步于激光的不同应用研究领域。我们开始是研究激光等离子体相互作用中的参量不稳定性，我的隔壁同事是研究非线性光学，我们一起研究并发展了光折变晶体光学。虽然是不同的物理方向，但研究方法是类似的，都属于非线性光学的范畴。当我到法国工作后，回到了激光与等离子体的相互作用研究，并从事了激光惯性约束聚变研究，这是我职业生涯的又一个新的转折。后来有一次，我发现了一篇 Physical Review Letters 文章的错误，我写了一条评论，花了将近一年的时间才把它出版。两年后，一位同事打电话给我说：“我们正在看你发表的评论，我们看到了这个现象！”最后我们一起找到了答案。这很有趣，从那时起我与这个团队在非线性光学方面进行了非常有效的合作。虽然这与高能量密度物理学无关，但其应用很有趣。
所以，我对保持学术热情与创造力的建议是：时不时地改变你的研究课题。每次你去到一个新的领域或新的方向，你都需要努力研究来获得同行的认可，但是不要放弃你之前做的研究，那仍然是有用的。通过在不同的领域之间探索，你的创造力会因为你的知识从一个领域到另一个领域的交叉融合而增加。你需要找到一些新的改变，在一个领域内找到创新点，发表文章时，都应着重体现出自己的原创性。创造力是研究的重要组成部分，是维持我们的职业生涯不可或缺的。
Zhu ：您对高功率激光科学与工程学术圈的教育与从业人员情况有哪些看法？
Tikhonchuk ：作为一名教授，教书育人是我的本职工作。我在法国波尔多大学任教长达二十年，教授高能量密度物理课程。但这门课程并不是我所开创的，是我另一位同事、法国物理学家 Jean Jacquinot 。他找我说法国原子能委员会授权他在法国创办专门的核聚变教育。当时我深表怀疑，每个大学有自己不同的研究兴趣点，在几所大学之间创造共同点是一项非常困难的任务。但 Jean 是一个非常积极的人，他的动力来源于当时法国的两大聚变项目，ITER磁约束聚变项目与LMJ惯性约束聚变项目几乎是同时启动的。原子能委员会明白，从业人员是关键的。这两个长期的项目，需要持续的培训、知识传递以及一批积极的从业人员。
在法国，我们很幸运，这两个融合分支走到了一起，我们合作了多年，共同创建了这个国家级的聚变教育项目。这个项目开始于 2006 年，由法国的六七所大学与高中共同参与教学。我们设置了一个普适性较强的课程，并开始调动相关的学生和教授们，并组成了一个共同委员来协调工作。项目进展很有效，在这个项目的头 10 年里，我们培养了 300 多名硕士生，其中 80% 的人在科学领域工作。现在，我到处都能遇见我们的学生。
所以，我认为教育和培训是非常重要的问题。如果想发展惯性约束聚变能，在硕士或博士层次，需要创建一个国际的教育基础。硕士可能更重要，因为我们不仅需要研究人员，还需要很多工程师。如果我们能够顺利创建这样一套国际的人才培养系统，它将成为材料、激光、等离子体、应用数学以及战略安全领域的共同基础。有许多问题是相互关联的，我们需要了解各种要素，这是大型的多学科项目协同开展的唯一方法。
出于这个原因，现在我们在欧洲正在努力创建一个惯性约束聚变的共同教育项目。我建议，在中国也需要以某种方式协调大学和研究机构来开展类似的教育项目。这并不是一件容易的事情。在法国，原子能委员会投资并推动了这项工作。你们也需要一个大的研究实体，比如中国科学院，它可以采取举措来推动聚变教育。即使你培养的学生数量比你需要的更多，那也不是坏事，因为他们会发现良好的教育在任何情况下都可以保证良好的就业。
Zhu ：在学术研究的发展方面，您能否为这一领域的学生和博士后提出一些建议？
Tikhonchuk ：这是我的建议：保持好奇并敢于提问。当你去听讲座时，不要只是记录教授说了什么，要用批判性的思维去思考，自己是否认可他说的内容，不要犹豫，提出问题！
当我还是大三学生时，教我们量子力学课程的是一位知名教授。有一天，当他正在上第二还是第三节课时，突然停止讲课，问道：“你们为什么不提问？”此时课堂一片寂静，他便丢下粉笔离开了。后来，他委托自己的学生给我们讲完了剩下的课程。这件事告诉我，最应该做的便是及时提问。当你坐在一场学术会议上时，不要担心提出“愚蠢”的问题（当你担心你的问题“愚蠢”时，这个问题往往都不会是“愚蠢”的）。
通常，所有的报告人都很乐意看到有人提问，因为演讲时无人感兴趣是一件很让人恼火的事情。然而，在会议上往往只有很少人提问。我经常问一些不容易回答的问题，但这不是说我在质疑演讲者，而是觉得演讲者所说的很有趣才会提问，这对你和演讲者都很重要。至少你开始理解他在表达什么，被提问者也开始从不同的角度思考他自己的研究工作。
总的来说，如果你有志于从事学术研究，你需要保持好奇心并向你的同事、你的老师以及全世界积极提问。当你提问时，说明你的大脑正在积极运转，并对所接触到的事物有了良好的反馈。所有的学术研究都建立在独立思考和个人智力独立的基础上。
Zhu ：您如何看待 High Power Laser Science and Engineering 这本期刊对高功率激光技术方向带来的影响？
Tikhonchuk ：高功率激光工程领域早在 25 年前，美国和法国决定建造大型激光驱动器时就形成了。但在当时，没有人知道如何去建造这样的激光器，因此我们需要打造一个学术交流圈。要建立这样一个学术圈也绝非易事，你必须拥有特殊的工具，比如学术期刊。期刊是一种在学术圈中传播知识的有效方式，会伴随学术圈的成长而共同成长。在这一领域，为吸引更多的人建立共同的愿景，有志之士创办了 High Power Laser Science and Engineering 这本刊物。创刊初心就在于真正打造这样一个纯粹的高功率激光科学与工程的交流平台。如果你关注那些悠久历史且具有极高知名度的期刊，例如 Nature 、Nature Physics 、Physical Review Letters 等，会发现它们刊发的文章更加侧重于传播与链接普适知识，而不是关注一些特定的技术领域。因此，我认为 High Power Laser Science and Engineering 这本刊物定位就非常准确，更聚焦细分领域，侧重于激光核聚变与激光技术。这就是我们最需要的。
总的来说，High Power Laser Science and Engineering 这本刊物旨在打造一个高功率激光科学技术的学术交流平台。如今，高功率激光器对于惯性约束核聚变以及高能量密度物理学研究的意义愈发显著。因此，这本期刊意义非凡，聚焦了一个具有光明发展前景的领域，对这一点，我个人深信不疑。这本期刊让人们听到了来自不同国家的声音，让高功率激光技术领域愈发活跃。如今，它迎来创刊十周年庆典，并取得了一系列的里程碑式成就。我衷心祝愿 High Power Laser Science and Engineering 本刊物能够在下一个十年里再创辉煌。
英文全文已公开发表于 High Power Laser Science and Engineering 2023 年第 6 期，欢迎查看：
Zhu, P. (2023）. An interview with Vladimir Tikhonchuk. High Power Laser Science and Engineering, 11, E77. doi:10.1017/hpl.2023.76
# 采访人简介 #
朱坪，中国科学院上海光学精密机械研究所，副研究员。2012 年本科毕业于天津大学，2017 年博士毕业于中国科学院上海光学精密机械研究所，曾国家公派美国佐治亚理工学院访问研究。2017 年起在中国科学院中物院高功率激光物理联合实验室工作，主要从事高功率超短脉冲时空全域光场测量技术、等离子体光学激光信噪比提升技术、单次超快时空等离子体诊断技术等研究。发表学术论文 40 余篇，担任 High Power Laser Science and Engineering 期刊青年编委、专题编辑。
期刊简介
High PowerLaser Science and Engineering 创刊于 2013 年，是目前国际上唯一全面反映光学大科学工程——激光聚变点火研究的专业期刊。2023 年已经是 HPL 陪伴高功率激光领域实现发展和跨越的第 10 个年头。HPL 创刊 10 周年，期刊也成为了国际高功率激光领域的代表性期刊。在 2022 年中国科学院期刊最新分区，HPL 位列物理与天体物理大类和光学小类双一区，且为 Top 期刊。同时位于 JCR 光学类期刊 Q1 区，IF 值为 4.8 。期刊还被 EI，SCOPUS，CSCD 收录。
本文转载自微信公众号“中国激光杂志社”，原标题为《光学大家 | 惯性约束聚变学术泰斗 Vladimir Tikhonchuk ：激光聚变是人类历史对未知科学的长期探索》。
朱坪 返朴 2023-11-13 09:28 发表于北京
页:
[1]