️概要
作为人类终极能源梦想的重要实现方式，激光驱动的惯性约束聚变一直是科技领域备受关注的焦点。尽管国家点火装置已成功实现能量净增益的原理性验证，但由于极高的布设成本，以激光聚变实现商业化发电仍然是短期之内无法实现的技术天堑。近日，一家来自美国丹佛名为“Xcimer Energy”的初创科技公司，公布了其在准分子激光器领域的最新突破：该公司成功研制出了长脉冲准分子激光器，作为原型机的验证型号，该光源有望在未来成为激光点火的新选择。
️一家成立仅两年的公司，正用激光撬动人类的终极能源梦想
2022年12月，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火装置（NIF）利用高能激光驱动的激光惯性约束聚变，首次实现了激光聚变增益大于1的科学突破。尽管NIF创造了惯性约束聚变领域内的科技里程碑，但其并未有过将相关技术用于商业发电领域的短期规划——因为以当前的技术方案，点火所需的经济成本太高。当下，NIF所使用的驱动光源仍以钕玻璃（Nd:Glass）激光器为主，尽管能够实现短脉宽、大能量、高功率的紫外激光输出，但该激光器仍然面临生产成本高、重复频率低、能量转化率低的技术难题，这也是NIF无法推进激光聚变在商业化发电领域内的技术天堑。试想：哪家发电工厂会愿意采用造价达35亿美元，但每天只能发电1-2次，每次发电量仅够烧开一壶热水的“发电机”？
图1 NIF实验实况：靶丸正在精密的位移台上，被移动到位
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就在几天前，一家总部位于美国科罗拉多州丹佛市，名为“Xcimer Energe（准分子能量）”的初创公司宣布：在私人资金的资助下，该公司完成了由电子束泵浦准分子激光器的研发工作。这一成果不仅标志着私营企业在激光核聚变领域迎来了从0到1的重要突破，更值得关注的是，这也是准分子激光器首次在国家科研场所之外成功出光，打破了准分子激光技术长期由公共部门主导的技术垄断局面。该公司CEO 兼首席科学家Conner Galloway声称：“Xcimer公司所研制的准分子激光器架构，相比于NIF使用的钕玻璃激光器，将产生10倍以上的能量，效率也将提升10倍，每焦耳的发电成本降至1/30。”
图2 Xcimer Energy在丹佛的实验室
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在Xcimer Energy的“豪言壮志”背后，除却技术积累，还有着庞大的研发资金支持。据相关报道，该公司在成立后的两年时间内，先后参与到美国能源部旗下的三个子项目中，这三个子项目均隶属于“惯性聚变能源科技加速研究”项目 (IFE-STAR)，这也是由美国国会要求、能源部推进的重要项目。在重大科技项目的背书下，Xcimer Energy公司于2024年6月的A轮投资里，获得了超过一亿美元的投资资金！这使得公司体量在极短时间内得到了扩张，所吸纳到的技术人员也愈来愈多。
️科学和工程学的双重奇迹：四个月造出电子束驱动准分子激光器
Xcimer Energy成立于2022年，其诞生背景颇具戏剧性——公司创立仅一年后，NIF便实现了核聚变点火的重大突破。但这家年轻的企业并未选择追随传统技术路线，而是将目光锁定在电子束泵浦准分子激光这一极具潜力却长期被忽视的领域。在接受采访时，Conner Galloway就曾表明：“我们从创立之初就明确了目标：要打造一套能够真正实现商业化落地的核聚变能源系统，而电子束准分子激光正是这一系统的核心‘引擎’。”
图3 工程师正在准分子激光系统上工作
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以准分子激光器作为惯性约束驱动光源的技术构想，也并非天马行空，早在激光聚变理论设计提出之时，其就曾作为一项极具竞争力技术，出现在高光束质量深紫外宽带驱动激光的候选者内。
2019年，原美国海军研究实验室激光等离子体部门负责人Stephen E. Bodner教授，曾在激光聚变领域的代表性期刊上发表文章，详细介绍过准分子激光器的技术优势和最终商业化的巨大潜力，激光评论也曾对此进行过专门。
在Stephen E. Bodner教授看来，NIF最终选择钕玻璃激光作为驱动光源，是美国政府的高层管理者基于玻璃激光器驱动方案大量的“沉没成本”而做出的决定，但这一决定是一个逻辑谬误。而美国政府拒绝为准分子激光器的方案提供发展经费，这也为NIF的发展平添波折。
图4 工程师正在校准激光器内部光路
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回到当下，由Xcimer Energy公司所研制出的“长脉冲动力学 (LPK)”平台，其本质上是一台氪氟 (KrF) 准分子激光器，但不同于传统高压放电泵浦的技术方案。Xcimer Energy公司采用了电子束做泵浦，这既使得LPK实现了3 μs脉宽的激光输出，刷新了同类型激光器输出脉宽的世界记录（之前曾是500 ns），还大大提升了KrF准分子激光器的泵浦效率。
Xcimer Energy公司表示，更长的脉宽，意味着更加稳定的能量输出和能量利用率。值得一提的是，从零件组装，到搭建光路，再到最终出光测试，所有流程仅用时4个月，而这台极具“颠覆性”的激光器，仅仅是Xcimer Energy公司所有商业计划中“最小的”一台。后续，该公司将于2026年研制出能量十倍于LPK原型机的“Phoenix（凤凰）”激光系统；而到了2030年，全球最强激光设施“Vulcan（火神）”激光系统也将正式上线，冲击工程级能量增益的目标。
️世界激光核聚变竞赛进行时
在公告末尾，Xcimer Energy公司专开一节，强调激光惯性约束聚变技术对于未来能源领域的意义。该公司强调，激光核聚变有能力确保一个国家在未来几个世纪内的能源自主性，同时将开启一个能源无限的时代；但在激光惯性约束聚变的赛道内，美国并非唯一的参赛选手。
Xcimer Energy公司认为，美国政府在激光惯性约束聚变领域的投资远远不足，尤其是在激光聚变发电工程技术商业化的推进上，相关资金支持更是少得可怜：该公司收集了美国能源部2020-2023年间的聚变能源科学研究支出记录，发现其中仅有1.2%用于支持核聚变商业化的工作。该公司表示，如同2010年NASA扶持SpaceX公司催生商业化航天项目一般，激光惯性约束聚变技术转移的窗口期已经到来，若美国无法提供如21世纪初为私营太空探索公司的经济支持，美国将失去其领先地位。
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