劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL） 目前正采用双光子聚合（2PP）技术，为其 国家点火装置（NIF） 制造靶件所需的复合抛物面聚光器（CPC）。2PP 是一种基于激光的增材制造（AM）工艺。将锥体一体打印成型，已把它的生产周期从十天缩短到一天。该方法还为 NIF 实验开辟了新的靶件构型，其中包括为 2026 年 9 月一项离子快点火 “发现科学” 专项研究所采用的一种设计。
从机加工芯模到一体打印
LLNL 的靶件制造团队负责 NIF 靶件的设计、建造、装配与测试。该装置为高能量密度（HED）物理研究创造极端压力与温度条件。每个靶件都包含数十个零件，用于将激光能量导向燃料胶囊，并让诊断仪器记录数据。CPC 就是其中之一。在内爆过程中，它把 X 射线源引导到燃料胶囊上，以便进行诊断测量。其窄端直径仅 20 微米，不到人类头发丝宽度的一半。“复合抛物面聚光器非常难处理，”LLNL 机械设计师 Scott Vonhof 说。“它尺寸只有约 1.5 毫米，比我们过去用来操作零件的真空吸头还小，而且没有任何平面。这是一个亟待解决的问题。”
传统方法需要多道工序：先用金刚石车削加工出铜质芯模，再镀上金和塑料；然后将该件加工到最终形状，把芯模溶解去除，最后将锥体粘接到支撑结构上。2PP 使用聚焦到小于 1 微米光斑的高强度激光，使两个光子能够同时被吸收。靶件制造增材制造部署负责人 Maxim Shusteff 介绍了此前各种方法的不足之处。“过去，增材制造无法达到所需的特征尺寸，” 他说。“而且打印幅面太小，我们不得不把零件拼接起来，而这些拼接件的表面粗糙度也达不到要求。2PP 为靶件制造打开了很大的设计空间。” 采用 2PP，CPC 可作为整体组件一次打印成型，且无需镀金。
投入 NIF 使用前的测试要求
NIF 实验产出关键的国家安全数据，因此每一个新部件都必须经过仔细表征与测试，确保它不会影响实验结果。NIF 每年开展约 300 次实验，新部件会先在其它激光装置上测试，包括 LLNL 的 木星激光装置（Jupiter Laser Facility） 以及 罗切斯特大学 的 激光能量学实验室（Laboratory for Laser Energetics）。靶件设计还必须阻止反射的激光返回光路，因为那会损伤光学元件。这就要求对表面粗糙度施加严格限制，并采用不会把光反射到不当方向的形状。在 2026 年 4 月的一次实验中，一个 2PP 打印的 CPC 被装配到用于诊断标定的金盘靶上，其表现与传统方法制造的部件相当。
构建离子快点火靶
该部件就绪后，团队将其应用于一项离子快点火 “发现科学” 专项研究。该专项研究离子如何穿过稠密等离子体并与之相互作用。“发现科学” 约占 NIF 实验时间的 8%，与装置的国防安全主体工作并行开展。该专项需要一种新靶件，以间接驱动构型把先进射线照相能力（ARC）离子源与胶囊连接起来。“没有新的 2PP 方法，这根本不可能实现，”Stadermann 说。“由于位置被遮挡、装配公差又极为严格，把 CPC 直接连接到离子源上非常困难。”
团队打印了一个 CPC，其内形与几个月前一次对比打靶中所用的 CPC 相同，但改变了外轮廓，使该部件能够装入一个金锥内。金锥上增加了导轨，让 CPC 滑入到位后用胶点固定。另一部件，即 CPC 锥附近的 “内凹锥”，也用 2PP 打印。该锥必须非常精确，以防止激光背向散射。金刚石车削本可加工它，但其离轴几何形状会让加工变得极为困难。 该专项的首次实验于 2026 年 9 月进行。研究人员目前正在分析数据，结果将用于指导该专项下一次实验的靶件设计。
首个 NIF 离子耦合靶（左）与 ARC 离子源（右）。图片来源：Soojin Stadermann/LLNL。
工程师们还在考察 2PP 可以制造的其它靶件部件，其中之一是具有点阵结构、可承载浸润泡沫的燃料胶囊 —— 这将为形成胶囊燃料层提供一种全新途径。
聚变靶研究中接受测试的打印部件
LLNL 采用 2PP，解决了聚变靶件工作中的一处制造瓶颈：那些具有微米级特征且表面粗糙度限制严格的零件，过去要靠多步骤的机加工、镀层与浸出工艺来完成。意大利国家新技术、能源与可持续经济发展署（ENEA） 则从材料一侧切入打印靶结构。该机构研究人员与 维尔纽斯大学 激光纳米光子学团队合作，利用 2PP 激光直写 制备了宽 500 微米、支柱 14 微米的木垛型点阵，然后用 ENEA 的 40 焦耳 ABC 钕玻璃激光器发出 5 纳秒脉冲对点阵进行辐照。团队将实验与完整的三维模拟相结合，量化了与未来惯性约束聚变（ICF）靶设计相关的烧蚀速度和激光散射机制。与 LLNL 一样，ENEA 也借助 2PP 在微米尺度上构建聚变靶结构。这些工作把打印与聚变相关条件下的测试结合起来，而 LLNL 的 CPC 如今已在一个完整的 NIF 实验靶内达到了这一阶段。
来源：中国3D打印网编译文章！
0 留言