人类的能源从根本上说来自核聚变反应，即发生在太阳上的“轻核聚变”。人类已经在地球上实现了不可控的热核反应，即氢弹爆炸。要获得取之不尽的新能源，必须使这一反应在可控条件下持续地进行。为实现这一理想，科学家们用托卡马克装置开展“磁约束聚变”的研究。另一条技术路线于20世纪60年代初提出。它的基本原理是把强大的激光束聚焦到热核材料制成的微型靶丸上，在瞬间产生极高的高温和极大的压力，被高度压缩的稠密等离子体在扩散之前，即完成全部核反应，这就是“惯性约束聚变”（ICF）。一些国家的实验室已经在这类激光装置上作了大量的基础研究工作。美国、法国等已着手建造更大规模的巨型激光器，期望实现激光热核“点火”。在该领域中国很早就进行了研究，取得了相当大的进展。
一、中国
神光装置是我国自行研制的高性能高功率钕玻璃激光装置，神光系列装置研究的最终目标是实现激光受控热核聚变“点火”。
神光装置
神光-Ⅰ
1964年,我国著名核物理学家王淦昌院士独立地提出激光聚变思想,并建议了具体方案. 按照这一创议,在我国第一个激光专业研究所-中国科学院上海光机所开始了高功率激光驱动器的研制和应用并于 1971年获得氘-氘碰撞中子. 1978年中国工程物理研究院和中国科学院携手合作, ICF研究进入了全面发展的新阶段。近廿年来, 致力于研制和应用钕玻璃激光驱动器 -"神光"系列装置, 取得了显著进展, 推动了我国惯性约束聚变实验和理论研究, 并在国际上占有一席之地。
1977年，上海光机所利用1千亿瓦的6束激光系统装置，对充气玻壳靶照射获得了近百倍的体压缩。使我国的激光聚变研究进入了逐级论证向心聚爆原理的重要发展阶段，为以后长期的持续发展奠定了基础。1980年，王淦昌提出建造脉冲功率为1万亿瓦固体激光装置的建议，称为激光12号实验装置(神光I)。激光12号实验装置是建立在中国科学院上海光机所的一台大型高功率激光实验装置，位于上海市嘉定区清河路390号光机所内，1983年由上海光机所设计，总建筑面积4612平方米，为4层钢筋混凝土框架结构，总高度15米。该装置输出两束口径为200mm的强光束，每束激光的峰功率达1万亿瓦，脉冲宽度有1ns和100ps两种，波长为1.053μm的红外光，可倍频到0.53μm绿光。实验室内配有物理实验靶室及全套诊断测量设备，能开展激光加热与压缩等离子物理现象的研究和激光X光谱等基础研究工作。
1985年7月，激光12号装置按时建成并投入试运行。试运行中成功地进行了三轮激光打靶试验，取得了很有价值的结果，达到了预期目标。该装置是中国规模最大的高功率钕玻璃激光装置，在国际上也是为数不多的大型激光工程。它由激光器系统、靶场系统、测量诊断系统和实验环境工程系统组成。输出激光总功率达1万亿瓦量级，而激光时间只有一秒钟的十亿分之一到百亿分之一。可用透镜聚焦到50毫微米的尺寸上，能产生10万亿亿瓦/厘米2的功率密度。将这样的光束聚焦在物质的表面，可以产生上千万度的高温，并由此产生强大的冲击波和反冲击压力。该装置的高精度靶场系统，能适应0.1毫米量级的微球靶、黑洞靶、台阶靶、各类X光靶等多种靶型的实验需要，并具有单束、双束及两路并束激光打靶的功能，为进行激光核聚变新能源研究及其他多种物理研究得供了重要实验手段。1987年6月通过国家级的鉴定。
它的建成为进行世界前沿领域的激光物理试验提供了有利的手段，对尖端科研和国民经济建设均具有重要意义。1986年夏天，张爱萍将军为激光12号实验装置亲笔题词"神光"。于是，该装置正式命名为神光-Ⅰ。1989年起，神光I直接驱动获5000000中子产额，间接驱动获10000中子产额，冲击波压强达0.8TPa，获近衍射极限类氖锗X光激光增益饱和。1990年，神光I获得国家科技进步奖一等奖。[JF:Page]
神光-Ⅱ
1993年，国家"863"计划确立了惯性约束聚变主题，进一步推动了国家惯性约束聚变研究和高功率激光技术的发展。1994年，神光-Ⅰ退役。神光-Ⅰ连续运行8年，在激光惯性约束核聚变和X射线激光等前沿领域取得了一批国际一流水平的物理成果。1994年5月18日，神光Ⅱ装置立项，工程正式启动，规模比神光-Ⅰ装置扩大4倍。
神光Ⅱ装置采用了国产高性能元器件，独立自主解决了一系列的科学技术难题，达到国际最先进的高功率固体激光驱动器水平，实现我国这一领域新的跨越。该系统由激光器系统、靶场系统、能源系统、光路自动准直系统、激光参数测量系统以及环境、质量保障等系统组成，集成了数百台套的各类激光单元或组件，在空间排成8路激光放大链，技术参数与当今世界上最先进的在运行的美国OMEGA装置相当。2000年，神光Ⅱ装置8路基频功率达到8万亿瓦，开始试运行打靶。2000年起，直接驱动获40亿中子产额，间接驱动获1亿中子产额，直接驱动冲击波压强达1.5TPa，间接驱动冲击波压强达3.7TPa。2001年8月，神光Ⅱ装置建成，总输出能量达到6千焦耳／纳秒，或8万亿瓦／100皮秒，总体性能达到国际同类装置的先进水平。
"神光Ⅱ"的数百台光学设备集成在一个足球场大小的空间内。神光Ⅱ能同步发射8束激光，在约150米的光程内逐级放大：每束激光的口径能从5毫米扩为近240毫米，输出能量从几十个微焦耳增至750焦耳/束。当8束强激光通过空间立体排布的放大链聚集到一个小小的燃料靶球时，在十亿分之一秒的超短瞬间内可发射出相当于全球电网电力总和数倍的强大功率，从而释放出极端压力和高温，辐照充满热核燃料气体的玻璃球壳，急速压缩燃料气体，使它瞬间达到极高的密度和温度，从而引发热核聚变。神光Ⅱ已实现"全光路自动准值定位"，实验中能及时纠正因震动和温度变化而带来的仪器微偏，使输出激光经聚焦后可精确穿过一个约0.3毫米的小孔，仅比一根头发丝略粗一点。
判断超短超强激光系统的性能有两个重要技术指标：一是时间尺度，二是输出功率。2004年4月，神光Ⅱ装置成功突破100万亿瓦大关，输出峰值功率达到120万亿/36飞秒。目前，国际上只有少数发达国家的著名实验钛宝石激光装置输出功率超过100万亿瓦。这意味着神光Ⅱ在1000万亿分之36秒的超短瞬间内，迸发出相当于全球电网发电总和数十倍的强大功率。这种极端物理条件，自然界中只有在核爆中心、恒星内部和宇宙黑洞边缘才能存在。上海光机所强光光学重点实验室科技人员屡屡刷新这两大指标，在不到１０平方米的光学平台上创造出一次又一次"更快更强"的奇迹。2006年4月13日，神光Ⅱ装置新添的第9束激光输出能量打破纪录，较此前提高了5.8倍，第9路光束口径，由前8路的每束190毫米增至310毫米，单路能量输出达5100焦耳，离为核聚变"点火"更近一步。
截至2006年，神光Ⅱ装置已经累计提供运行打靶3000多发次。开展了惯性约束聚变、X光激光等研究约30轮物理实验，获得具有十分重要意义的结果。其中激光惯性约束直接驱动打靶，获得单发40亿中子，是国际同类装置获中子产额的最好水平。开展的物理实验为我国ICF研究做出了重大贡献，标志着我国激光惯性约束实验已经真正跃上了一个短波长、大功率激光打靶的新阶段，对提高综合国力具有重要意义。
不论是国外还是国内，巨型激光驱动器都是综合国力的反映，能够代表一个国家在这一领域的科技水平。它的研制对相关科学技术有重大的带动作用。神光Ⅱ装置的研制不仅为即将建造的下一代激光装置提供极为宝贵的科学技术经验，而且带动了我国材料科学(激光玻璃、激光晶体、非线性晶体)、精密光学加工与检验(λ/10高平面度、低粗糙度、大口径光学元件研磨技术、金刚石车床飞刀切削大口径KDP晶体技术)、介质膜和化学膜层技术、高质量大口径氙灯工艺、精密机械和装校工艺及高压电能源系统、快速电子学、控制电子学、二元光学技术等相关学科或技术的跨越式发展。而这些相关学科技术在国民经济中的应用前景将是相当可观的。
国产450mm×500mm×1000mm大KDP晶体，大口径磷酸二氢钾(KDP)晶体是唯一可用作激光约束核聚变中Pockels盒和倍频器件的晶体材料，但是KDP晶体本身具有质软、易潮解、脆性高、对温度变化敏感、易开裂等一系列不利于光学加工的特点，也是ICF光学元件制造中公认的最困难的环节。
神光-Ⅲ
1995年，激光惯性约束核聚变在"863计划"中立项，我国科研人员开始研制跨世纪的巨型激光驱动器--"神光-Ⅲ"装置，计划建成十万焦耳级的激光装置。2007年2月4日，中物院神光Ⅲ激光装置实验室工程举行了盛大的开工奠基仪式。该工程位于绵阳中国工程物理研究院内，建筑面积28154m2，平面布置：呈长方形布置，建筑物总长178m，总宽75m，建筑结构十分复杂。规划中的"神光-Ⅲ"装置是一个巨型的激光系统，比当前世界最大的NOVA装置还要大一倍多。原计划它具有60束强光束,紫外激光能量达60KJ,质量和精密性要达到廿一世纪的国际先进水平，现在该计划可能已经进一步修改，以提高能量规模。惯性约束聚变点火工程（2020年）被已确定为《国家中长期科学和技术发展规划》的十六项重大专项之一。
目前，神光-Ⅲ原型装置"十五"建设目标已圆满完成，达到"8束出光，脉冲-万焦耳"的水平，标志着我国成为继美、法后世界上第三个系统掌握新一代高功率激光驱动器总体技术的国家，使我国成为继美国之后世界上第二个具备独立研究、建设新一代高功率激光驱动器能力的国家。
神光Ⅲ装置是世纪之交我国历史上光学领域最宏伟的科学工程，必将全面带动相关科学技术攀登世界水平，是我国综合国力在科技领域的标志性体现，其作用和意义不亚于当年的"两弹"。这是挑战也是机遇，在王淦昌、王大珩、于敏等老一辈科学家带领下，已奋斗了三十多年,取得瞩目成果，而这只不过是序幕，需要几代人的不懈努力。根据规划，我国在2010年前后还将研制"神光IV"核聚变点火装置。
二、美国
美国国家点火装置（NIF）（即激光聚变装置）是与中国“神光”计划类似的工程，由位于美国加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室研制。
该计划自1994年开工以来延期了很多次，它最终的目标是2010年实现聚变反应，并达到平衡点，即激光在聚变反应中产生的能量大于它们所消耗的能量。
该计划建造和运行花费超过35亿美元，容纳NIF装置的建筑物长215米，宽120米，相当于三个足球场。
美国国家点火计划(NIC)是在2009年开始进行的。当时正值耗时35亿美元的国家点火装置建成投入使用后不久。国家点火装置的建设工期超出预定达7年，预算也超支20亿美元。这一装备有192束激光的设备可以产生1.8兆焦耳的热量，用于尝试核聚变点火实验，其先期研制的主要支持力量来自军方的核武器项目。9月份时国家点火装置获得了迄今最高的激光能量和中子产量，数值分别为1.6兆焦耳和6×1014 。在此之前的最高激光能量纪录是今年6月份创造的1.3兆焦耳。根据柯宁的说法，此次1.6兆焦耳的能量达到了点燃核聚变“燃料”所需热量的1/3，而中子量大约还差一个数量级。
2011年11月18日，就在美国能源部负责科学研究的副部长史蒂夫柯宁宣布辞职的当天，他的备忘录被公开，在备忘录中他记录了18日当天的最后一篇日志。他表示在从10月28日开始进行的35次实验中，任务进行的还是比较顺利的，激光器的表现也非常良好。而点火目标也表现不错，性能稳定。不过他也指出实验过程中仍然存在一些问题，其中一部分是可以解决的，但是也有一部分将会很难对付。
从模拟走向成功
国家点火装置的科学家们发现他们对模拟实验结果的预期和实际情况总是存在很大的误差。对靶标表现的模拟显示人们对能量在黑体辐射空腔内的分布状况等方面的认识仍然存在不足。即便在进行针对性调整之后，最好的实验结果仍然仅能获得大约20%的理论预计产出。
科学家们现在正在不断进行相关的调试工作，这对于在2012年9月份的最后期限之前实现研制目标至关重要。实验室现在已经大大增加了实验的频率。并且将所谓实验点火阈值因子(ITFX)数值提升了5倍。但是这一数值的最高值仍然仅有点火阈值的10%左右。尽管“基本上符合项目计划”，但是这一ITFX数值的规定还是让这一宣称具有“绝佳实验控制性能和激光测试参数”的实验室感到失望。
实现可控核聚变点火的技术难度极大，即便是在占地超过三座足球场的国家点火装置也是如此。工程师们必须确保激光束分四级，每级均以极其精确的时间间隔逐次增强其强度，并在书纳秒的极短时间内发出，以便激发一个柱状空腔内产生X射线场，进而实现均匀内爆，这将压缩一个包含氘和氚的小球体，这两种氢同位素是核聚变反应的燃料。如果时间上或者激光强度递增梯度上出现哪怕最微小的失误也会导致内爆不均匀，从而造成点火失败。最近进行的实验中工程师们发现最后一级激光脉冲总是会比预期的时间慢一些。
在最新的实验中工作人员们再黄金中掺入贫铀材料制成靶标空腔，用以替换先前使用的全黄金质地空腔。之前在罗切斯特大学进行的实验显示采用这种混合材料将对改善实验结果产生积极的影响。
柯宁表示此次实验的成败将不会对核武器的表现产生直接影响。不过他也表示此次点火试验中提供的数据将会使国家点火装置目前本已处于很高水准的核武储备管理水平得到进一步的加强。
2012年7月5日，科学家用192束激光向装有氘氚混合物的贫化铀微型靶丸发射了1.8MJ、500TW激光能量——这是至今为止所达到的最高能量及功率。
实验结果表明，距激光器达到实现点火所需的条件指日可待。NIF的负责人说：“此次点火实验达到了前所未有的水平，这确保了激光器将在实现聚变的必要设计指标下运行。”
尽管尚未进行点火演示，演示时间也并未确定。但据加州NIF设施的官员称，他们已完成了实现目标所需进程的75%。
“我们所收集的所有实验数据资料表明，我们离实现点火的目标已经近在咫尺，且并未发现影响点火的关键性问题”他们说道，“我们可能在未来的几个月或更长时间里获得重大成就。无论如何，这相比原定项目计划中的50年期限将大大缩短。”
虽然科研团队并未对激光聚变点火这一重要事件制定出准确时间，但激光聚变能负责人Mike Dunne今年早些时候曾说，点火可能在2012年年内实现。
Dunne在今年1月举办的SPIE美国西部光电展（Photonics West）发言时说 ：“我们现在有信心宣布，聚变点火将在未来的6-18个月内实现。”
下一步：α粒子加热
NIF团队的下一主要步骤是“α粒子加热”工作。即对激光内爆基础上产生的氦原子核（α粒子）进行加热，提高聚变燃料的温度并维持等离子体高温，使聚变反应持续。
“我们已成功从核聚变反应产生α粒子，并使燃料达到足够密度以储存所需能量”NIF研究人员说，“我们将在今年夏天的实验中寻找实现α粒子加热最可行的内爆方式。”
最新进展：国家点火装置将转向核武研究
由于技术问题，世界上最大的激光器----美国国家点火装置，将改变发展道路，把重点放在核武器研究上。
在过去六年时间里，美国国家点火装置(NIF)的工作人员一直致力于将192束激光集中于一个花生米大小的、装有氢粒子的目标上。当能量为500太瓦的激光撞击到装有氢粒子的目标上后，会产生X光粒子，使得重氢原子和超重氢原子产生聚变，这种聚变使得少量物质转变为巨大能量。
从“国家点火计划”这个名称就可以看出其研究目的----“点火”，也就是使聚变产生同提供的激光同样巨大的能量。美国国家点火装置的官员称，点火设施试验成功将为新型电厂铺好道路，这种新电厂将现实每分钟内爆1000个粒子。但是出现的技术问题使得该计划尚未实现其目标，而且该计划也于今年9月份停止。
三、英国
英国原子武器研究机构（Atomic Weapons Establishment, AWE）正在规划Orion巨型钕玻璃激光系统研究项目，该项目将在明年英国奥尔德玛斯顿正式开展，2013年4月正式运作。
之后，研究人员将围绕Orion开展高能量密度物理实验，以维持英国的核威慑力并稳固国家安全。此试验将于短时间内（分钟级）在实验室中模拟出核爆炸中心产生的物理环境。
Orion理论上能达到5×10^6K的高温，并引发靶丸塌缩，密度增加为固体密度的两倍。“此类情况一般只发生在恒星的中心内部，若没有Orion这类设施，我们将永远无法深入了解。”Randewich说。
AWE当前目标是2013年3月进行演示实验。同时，机构正部署用以监测靶丸X射线、粒子和光排放的各种诊断程序。[JF:Page]
此前，英国国防部已批准AWE将Orion的系统运作时间的15%供外部人员使用，因此学术界人士也将从中受益。另外，英国中央激光研究所（Central Laser Facility）近期发布的实验室项目征集已收到包括天体物理、惯性约束聚变以及高压物质科学研究等多项提案，AWE正在规划其中两项将于2013年年末进行的实验活动。
该12光束激光系统总投资约1.83亿英镑（约折合2.97亿美元），现已完成同步，并提供80％的额定输出AWE称Orion是“英国同类设施中最大规模的资本投资之一”，这在一定程度上归因于设备使用了许多由英国、法国和美国的特定供应商提供的超高精度光学仪器，用于转换短脉冲光束的倍频晶体就是其中的一种，它直径为300mm，厚度仅为3mm，可使高强度脉冲达到较高的转换效率。
独特排列形式
据AWE介绍，Orion采用一种同时结合长脉冲和短脉冲激光器的独特排列形式。
其中的10个长脉冲激光束在351 nm波长提供5KJ每纳秒的脉冲能量，同时保证高精度的激光束整形。
另外的两个超高强度短脉冲激光束能在1053 nm波长提供拍瓦功率级（1KJ/皮秒）的能量，亦能以使输出光束达到衍射极限。转化后可在527 nm波长下提供100 J的能量，产生超高对比度。
“该系统能通过多种配置生成极端物理条件，同时还能对所生成的条件以及等离子演化过程进行分析诊断。”Randewich介绍道。2010年12月系统建设完成时，AWE已公布每束激光照射靶丸的具体参数以及激光束的同步情况。
四、欧盟
欧盟将耗资7亿欧元，分别在捷克、罗马尼亚及匈牙利建置举世最强的激光发射器，产生的激光比现有最强激光还强10倍，除了能提供新的癌症疗法外，预估廿年后更能在几秒钟内就消除核废料的放射性。
这项研究计划名为“超强激光构造计划”（Extreme Light Infrastructure，ELI），有13个欧盟成员国的近40个学术机构参与。负责协调罗马尼亚发射器事务的专家札米尔说：“我们还未发现哪一种力量比计划中的激光更强。”
计划中的激光科技，可以使核废料辐射性完全消失的时间，从数千年大幅缩短到几秒钟，届时人类就不用再兴建核废料贮存场，以确保核废料的辐射不会外泄。札米尔说，大约20年后才能做到用激光消除核废料的放射性。
此外，激光也可以改善癌症的新放射疗法“强子治疗”。强子治疗专门针对位置较深、难以切除的肿瘤，能降低复发或产生新肿瘤的风险，但需要大型且昂贵的加速器；如果能用超强激光取代，就能降低成本。
这三座发射器预计2015年正式启用。第四座、也是能量最强的“超高场激光器”，预计今年完成选址，2017年启用；运转后将能制造出总能量相当于全世界全部电能输出10万倍的强大激光。
投资1.8亿建巨型激光器
近日，欧盟委员会通过了1.8亿欧元拨款方案，以支持正在罗马尼亚建设的巨型激光器项目。
作为欧盟"极光基础设施"（Extreme Light Infrastructure, ELI）项目的一部分，这一计划旨在刺激东欧地区的科学研究与发展。罗马尼亚即将建设一个研究基地，计划通过一个高功率激光器来对接一个高能分子加速器，来推动基于激光的核物理技术的发展。
"激光基础设施"--核物理项目将以罗马尼亚首都Bucharest南部的Magurele为基地，按计划将于2015年正式投入运作。欧盟委员会的拨款覆盖了第一阶段（2011- 2015年）的项目，然而，整个项目的总投资预计会达到3.56亿欧元。
欧盟委员会地区政策委员约汉纳o哈恩（Johannes Hahn）说：这种项目我们希望在未来可以越来越多地看到。它通过增加欧盟的透明拨款，推动研究与创新，保证每一分钱都是用得其所。
总之，"极光基础设施"项目预计需要欧盟投入大约7亿欧元的资金。作为此大项目的一部分，一个阿秒（attosecond）激光器研发计划在匈牙利启动了，这种激光器能够发射高强度脉冲光线，然而，这一研究基地尚未得到欧盟的正式拨款。
欧盟斥资9亿美元建造超级激光器
在继欧洲核子研究中心（CERN）成功建造大型强子对撞机（LHC）后，欧洲和世界又开始了另一激动人心的重大科技项目：涉及40个研究所和学术机构的极端光设施（ELI）的项目。该项目的目标是建立强大的激光器--两个分别在罗马尼亚和捷克共和国，第三个在匈牙利。这些激光器将逐步成为第四个更强大的激光器--超高场激光器的原型，它可能在英国选址，但尚未确定。
第一个激光设备开始运作的时间预计在2017年的某个时候。
这些激光器非常强烈，能够在很短的时间内进行电子动力学或相对论光学实验，他们打开了一个全新的物理研究领域。此外，他们可以结合起来产生一个超级激光器，能够穿入太空，就像'星球大战'三部曲《死星》中的综合激光器效果一样，虽然它的目标是研究空间粒子，而不是消灭行星。
罗马尼亚的项目协调员尼Nicolae-Victor Zamfir称，每个激光都比目前存在的任何激光器--如在劳伦斯•利弗莫尔国家实验室的那个--强10倍以上。其他的潜在研究方向正在考虑之中，包括X光、癌症治疗，以及加速放射性同位素衰变；但现在的重点似乎是为基础研究建立设施，而还没到研究潜在应用的地步。
五、俄罗斯
俄罗斯启动了一个15亿美元的项目，将建造一个高能超级激光器。设计人员认为这将是世界上最好的激光器。该装置可实现聚变点火，用于热核武器和民用用途的研究。
负责开发这一装置的俄罗斯实验物理研究院（RFNC-VNIIEF）有60多年的历史，曾参与俄罗斯军民核计划的发展。新装置场址有360米长，10层楼高，将建在俄罗斯中部Nizhny Novgorod地区的Sarov技术园区附近。
俄罗斯新超级激光器的能力可比拟美国国家点火装置（NIF）和法国兆焦激光器（LMJ）。NIF目前已经开始运行。LMJ将于2012年启动。俄罗斯激光器估计将花10年才能建成，能够将2.8兆焦尔的能量送到靶上。NIF和LMJ的能量水平大约是2兆焦尔。
