德国联邦教育研究部（BMBF）1730万欧元资金支持的DioHELIOS项目已正式启动

学术 2024-11-07 08:01 江苏

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德国联邦教育研究部（BMBF）于近日正式启动了DioHELIOS项目，该项目为BMBF “Fusion 2040”资助计划的一部分，该资助计划是为了实现“2040 年在德国建造第一座核聚变发电厂”而设立的。

DioHELIOS项目为期三年，取得了BMBF 1730万欧元的资金支持。项目集合了光子学行业和研究机构的多方力量，共有六个核心合作伙伴组成了DioHELIOS联盟，包括两个研究机构（Fraunhofer ILT、Ferdinand-Braun-Institut）和四个工业公司（TRUMPF、Laserline、Jenoptik、ams-OSRAM）。

项目旨在提高高功率半导体激光模块效率，并探索自动化大规模生产的方法，以满足基于激光惯性约束聚变技术运行的商业化聚变发电厂的需求。

德国联邦研究部长 Bettina Stark-Watzinger

项目背景

虽然NIF多次验证了激光点燃惯性约束聚变的可行性，但是它的设计目的是为了基本的聚变和等离子体研究，它采用传统的发射闪光灯作为泵浦源。由于NIF激光器在每次射击后都需要几个小时来冷却，这导致它的重复率被大大限制，所以NIF的设计并不适用于商业发电。

为了实现商业发电的需要，根据目前的技术水平，高重复率只能通过专门设计的半导体激光管来实现，而不是发射闪光灯。

通常，用于聚变的激光脉冲最初是由脉冲光纤激光器产生的，能量仅为纳米焦耳级别。这些脉冲在经过多个放大阶段后，能量逐步提升至两位数焦耳范围。为了进一步将能量提升至千焦耳级别，激光脉冲需要反复通过20至40厘米大小的特制玻璃或晶体板。

二极管激光模块的作用则是提供精确的空间、时间和光谱能量来放大这些脉冲。根据定制化的设计，脉冲会通过200至400个光束路径进行并行传输并最终到达聚变室，在那里它们被聚焦成高强度的兆焦耳光束以点燃目标。

项目技术优势

当前市场上的二极管激光模块并不能满足商业发电厂对性能和价格的要求，并且单个发电厂对模块半导体基础元件的需求已经超过了目前全球的年产量。

与目前技术相比，DioHELIOS项目开发的是高功率二极管激光模块，项目目标是实现每秒10到20次的重复率，并将泵浦模块的功率提升到兆瓦级别。这些模块作为高能激光的泵浦源可以将氢同位素等离子体压缩至大约300吉帕的压力，并在大约1.5亿摄氏度的温度下点燃。

DioHELIOS项目开发的的泵浦模块不仅可以将脉冲能量提高50倍，同时还提升了效率，拥有更均匀和更稳定的光谱特性，并且能够以每瓦不到1美分的成本被大规模制造，可以在大约30赫兹的重复率下稳定运行约15年。

项目实施路径

Fraunhofer ILT主要负责利用其专门开发的 SEMSIS 软件进行二极管激光模块的建模和优化，以显著提高二极管激光器芯片的输出功率，同时确保它们能够以所需的成本水平和资源效率进行工业制造。
TRUMPF、Laserline 和 Jenoptik使用Fraunhofer ILT优化过的二极管激光器芯片来构建具有高封装密度和高辐照度的二极管激光器堆栈，堆栈以二维阵列排列，这种设计使得组合后的激光更强、更有力，二极管激光器堆栈将用作泵浦模块的构建块。
Fraunhofer ILT还负责用于光束整形的光学系统的设计，同时专注于研究加速微光学对准、泵浦光束轮廓的在线优化以及微光学器件的焊接组装技术。Fraunhofer ILT 正在开发的技术旨在通过优化光学元件来改善激光束的准直和均匀性，这些光学元件可以确保激光束在输出时具有均匀的轮廓。
联盟也在研究通过使用所谓的多结概念来提高光产量，“多结概念”指的是在半导体激光器设计中使用多个有源区域（也称为“结”）来提高光的输出功率。通过在激光器中堆叠多个这样的有源区域，可以增加电子到光子的转换效率，从而提高激光器的输出功率。
其他研究方向还有：优化电流驱动器，以提供超过1000安培的电流脉冲，并尽可能减少损失；使用AI 优化泵模块及其各个组件的自动化生产，以确保提高效率、缩短周期时间和降低生产成本。

参考链接：

https://optics.org/news/15/10/53
https://www.ilt.fraunhofer.de/en/press/press-releases/2024/10-31-diohelios-fusion2040-project-start.html
https://www.photonics.com/Articles/Project_DioHELIOS_Drives_High-Power_Laser_Diode/a70441