高功率激光二极管是未来核聚变发电厂的关键部件。联合项目 DioHELIOS 的目标是将激光二极管的功率和效率提高到一个新水平，并开发其自动化批量生产的方法。

在这个由德国联邦教育及研究部（BMBF）资助的项目中，有多家公司和机构参与了合作：ams-Osram、Ferdinand-Braun-Institut 、Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik （FBH）、Fraunhofer Institute for Laser Technology (ILT)、Jenoptik、Laserline 和 Trumpf。

联合项目 DioHELIOS 旨在推动联盟合作伙伴 Jenoptik 公司的高功率半导体激光巴条的发展，并将其集成到未来核聚变发电厂的半导体激光泵模块中。该项目还旨在借助人工智能推进其全自动化生产。© Jenoptik 。

激光点燃惯性约束核聚变的原理证明引发了全球聚变研究的新动力。这是因为核聚变不仅使能源生产与碳循环脱钩，意味着它不会排放任何温室气体，而且还基于几乎无限的燃料供应，本质上是安全的，并能以最高的可靠性提供能源。

BMBF 资助项目 Fusion 2040 启动

BMBF 很早就意识到了这一新动态，并于 2024 年 3 月设立了 名为《Fusion 2040 - 通往核聚变发电厂的研究》的资助计划。

联邦教育与研究部部长 Bettina Stark-Watzinger 说：“我们现在需要利用我们的本土优势。德国已经拥有核聚变研究方面的专业知识。我们的研究机构和供应商行业都处于国际领先地位。我们必须坚持不懈地发展国内基础研究的成果"。

得益于 Fusion 2040 资助计划中的联合项目 DioHELIOS，这项研究目前正在加速进行。该项目汇集了来自光子学产业和研究领域的广泛联盟，以推进未来核聚变发电厂的关键部件：高功率半导体激光器。

高功率半导体激光器是高能激光器的泵浦源，用于将氢同位素产生的等离子体在约 300Gbar 的压力下压缩到极致，并在约 1.5 亿摄氏度的温度下点燃。

在加利福尼亚州的试验设施中，这项任务分配给了世界上最大、能量最高的激光器。在三个足球场大小的区域内，192 条光束路径每个脉冲产生的能量超过 2MJ 。峰值功率接近 500TW 。该系统在 351 纳米的紫外线波长范围内工作，脉冲持续时间约为 10ns 。

核聚变发电厂的关键部件

该试验设施是在 20 世纪 90 年代利用当时最先进的技术规划的，其设计目的不是为了高效发电，而是为了进行基础核聚变和等离子体研究。这种装置设计不适合商用发电厂，因为每次发射后激光器需要数小时冷却。

而在发电厂中，则需要每秒 10 到 20 次的重复点火率。此外，整个激光系统的效率也必须大幅提高，而根据目前的技术水平，这只能通过专门调谐到放大介质的吸收线上的激光二极管来实现，而不是宽带发射闪光灯。

当今的半导体激光泵浦模块无法满足商用发电厂的要求。单个发电厂对半导体激光巴条（泵浦模块的半导体基本组件）的需求量已经超过了目前的全球年产量。

半导体激光泵浦模块的基本构件是微小的半导体激光巴条，如 Ferdinand-Braun-Institut 、Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik（FBH） 等机构开发的半导体激光巴条。图为这种巴条的尺寸对比。© Ferdinand-Braun-Institut，Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik（FBH）。

开辟新天地

因此，DioHELIOS 项目（核聚变发电厂中高能激光器的半导体激光泵浦源）必须在泵浦模块的开发方面开辟新天地。一般来说，用于核聚变的激光脉冲是由脉冲光纤激光器产生的，能量在纳焦范围内。当它们通过几个放大器时，其能量水平会逐渐提升到两位数焦耳的范围。

为了将脉冲能量提升到千焦耳范围，激光脉冲需要反复通过 20 到 40 厘米大的特殊掺杂玻璃或晶体板，在这里，半导体激光器模块提供的空间、时间和光谱精确能量将其放大。脉冲以 200 到 400 条光束路径并行通过，然后到达聚变室，点燃目标。这种放大需要专门针对惯性约束核聚变要求而开发的定制泵浦模块。与目前的技术相比，它们不仅必须将脉冲能量提高 50 倍，还必须同时提高效率。

带光束整形功能的半导体激光器模块效果图，用于为高能激光器中的板堆放大器提供泵浦。这种半导体激光器泵浦模块被认为是未来核聚变发电厂的关键部件。© Fraunhofer ILT，德国亚琛。

DioHELIOS 联盟的六个合作伙伴（两个研究机构和四个工业公司）将围绕这些目标开展研究。第七个合作伙伴是来自达姆施塔特的激光核聚变初创公司 Focused Energy。Jenoptik、ams-Osram 和 Ferdinand-Braun-Institut (FBH) 作为激光二极管的领先制造商和开发商，将贡献他们的专业知识，并推动半导体激光器新方法的发展。

需要稳定性

Fraunhofer ILT 将利用专门开发的 SEMSIS 软件设计和优化半导体激光巴条，为他们提供支持。这样做的目的是大幅提高芯片的输出功率，同时确保它们能以所需的成本水平和资源效率进行工业化生产。

对于用于核聚变电厂的半导体激光器，激光束的光谱分布需要尽可能稳定。为此，联合企业正在寻求新的设计方法，并通过使用所谓的多结概念来提高光产率：其目的是通过堆叠多个有源区来显著提高电子到光子的电光转换产率。

经过优化的半导体激光芯片随后被送往 Trumpf、Laserline 和 Jenoptik 公司，他们将利用这些芯片来制造具有高堆积密度和高辐照度的半导体激光叠阵（多个巴条堆叠在一起）。高效冷却对于确保长寿命和避免温度引起的光谱漂移尤为重要。

光束整形和光束制导也被提上日程。Fraunhofer ILT 正在开发适合自动装配的专门优化光学元件，以准直和均匀光束轮廓。在所有这些方面，合作伙伴都必须考虑如何将模块扩展到更高的输出和脉冲能量，以及如何系统地控制成本。

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