Лоуренс Ливермор ұлттық зертханасының жоғары қуатты лазері

Кіріспе

Лоуренс Ливермор Ұлттық зертханасындағы жоғары қуатты лазер.

Нова – 1984 жылы Калифорния штатындағы Лоуренс Ливермор Ұлттық зертханасында (LLNL) салынған жоғары қуатты лазер. 1999 жылы бөлшектелгенге дейін ол озық инерттік тұтқындау синтезі (ICF) тәжірибелерін жүргізді. Нова – ядролық синтездің үлкен мөлшерде энергияны бөліп шығаратын тізбекті реакциясы – "жануға" қол жеткізу мақсатымен салынған алғашқы ICF эксперименті болды. Нова бұл мақсатына жете алмаса да, ол жинаған деректер проблеманың басым бөлігі Рейли-Тейлор тұрақсыздығынан туындайтынын анықтады, нәтижесінде Нованың ізбасары – Ұлттық тұтану қондырғысының жобасы жасалды. Сонымен қатар, Нова "жанудың" болмауына қарамастан, жоғары тығыздықтағы материя физикасы бойынша маңызды деректер жинады, бұл деректер синтездік энергия және ядролық қарулар саласындағы зерттеулерде пайдалы болып табылады.

Өмірбаян

Инерциялық тұтқындауды біріктіру (ICF) құрылғылары нысананы қысу үшін оның сыртқы қабаттарын жылдам қыздыруға арналған драйверлерді пайдаланады. Нысана – бірнеше миллиграмм мөлшеріндегі синтез отыны бар, әдетте дейтерий және тритий қоспасынан тұратын шағын шар тәрізді гранула. Драйверлік лазердің жылуы грануланың бетін плазмаға айналдырады, ол беттен жарылыс түрінде таралады. Ньютонның үшінші заңына сәйкес, нысананың қалған бөлігі ішке қарай итемеленеді, соңында өте жоғары тығыздыққа ие кішкентай нүктеге дейін құлайды. Жылдам булану да қысылған отынның ортасына қарай қозғалатын соққы толқынын тудырады. Отынның ортасына жетіп, нысананың екінші жағынан келетін соққымен кездескенде, соққы толқынының энергиясы оны одан әрі қыздырып, айналасындағы шағын көлемді қысады. Егер бұл кішкентай нүктенің температурасы мен тығыздығы жеткілікті деңгейге көтерілсе, отынның кішкентай бөлігінде синтез реакциясы жүреді. Бүгінгі күнге дейін ICF эксперименттерінің көп бөлігі нысаналарды қыздыру үшін лазерлерді қолданды. Есептеулер көрсеткендей, энергия ядроның ыдырауына дейін оны қысу және қажетті соққы толқынын жасау үшін жылдам жеткізілуі керек. Сондай-ақ, энергияны нысананың сыртқы бетіне өте тегіс бағыттау қажет, осылайша отынды симметриялық ядроға айналдыруға болады. Басқа да "драйверлер" ұсынылған, атап айтқанда, бөлшектерді үдеткіште қолданылатын ауыр иондар, бірақ қазіргі уақытта лазерлер ғана қажетті мүмкіндіктердің толық жиынтығына ие.

Тарих

LLNL-дың ICF бағдарламасымен тарихы 1972 жылы физик Джон Накколлздің болжауымен басталды. Ол тұтануға лазерлік энергиямен шамамен 1 кДж жеткенін, ал «жоғары пайда» үшін 1 МДж шамасында энергия қажет екенін болжаған. Бұл қазіргі заманғы машиналармен салыстырғанда өте төмен қуатты болғанымен, сол кезде ол өнер деңгейінен асып, осы қуат диапазонында лазерлерді жасауға бағытталған бірқатар бағдарламаларға әкелді. Nova құрылысына дейін LLNL негізгі ICF дизайнының мәселелерін зерттеген, үнемі үлкейетін лазерлер сериясын жобалап, құрастырды. LLNL ең алдымен Nd: шыны лазеріне қызығушылық танытты, ол сол кездегі санаулы жоғары энергиялы лазерлік жобалардың бірі болатын. LLNL ертерек шыны лазерлерге назар аударуға шешім қабылдады, ал басқа да орталықтар көмірқышқыл газын (мысалы, Лос-Аламос Ұлттық зертханасының Antares лазері) немесе KrF (мысалы, Әскери-теңіз зерттеу зертханасының Nike лазері) қолданатын газ лазерлерін зерттеді. Үлкен Nd: шыны лазерлерді жасауға бұрын әрекет жасалмаған, ал LLNL-дың алғашқы зерттеулері негізінен осы құрылғыларды қалай жасауға болатынына бағытталған. Бір мәселе – сәулелердің біртектілігі. Сәулелердің қарқындылығындағы ең кішкентай өзгерістер де Керр линзасы деп аталатын процесте ауа мен шыны оптикада «өзін-өзі фокустауға» әкелетін. Нәтижесінде сәуле құрылғының шыны оптикасын зақымдай алатын өте жоғары қарқындылықтағы «жіпшелерден» тұратын. Бұл мәселе Cyclops лазерінде кеңістіктік сүзгілеу техникасын енгізу арқылы шешілді. Cyclops-тан кейін Аргус лазері пайда болды, ол бірнеше сәулені басқару және нысананы біркелкі жарықтандыру мәселелерін зерттеді. Shiva-мен тәжірибелер жүргізу кезінде тағы бір күтпеген мәселе пайда болды. Nd: шыны лазерлер шығарған инфрақызыл жарық, бастапқы қыздыру кезінде пайда болған плазмадағы электрондармен стимуляцияланған Раман шашырауы процесінде күшті өзара әрекеттеседі. Бұл процесс «қызыл электронды алдын ала қыздыру» деп аталады, лазердің энергиясының көп бөлігін алып, нысананың ядросы ең жоғары сығылуға жеткенше қызып кетеді. Бұл имплозия энергиясының төмендеуіне және қыздырылған ядроның сыртқы күшіне байланысты құлдырау ортасына аз энергия жинақталғанын білдірді. Қысқа толқын ұзындығы бұл мәселені азайтатыны белгілі болғанмен, бұрын Shiva-да қолданылатын инфрақызыл жиіліктер «жеткілікті қысқа» болады деп күтілген. Бірақ бұл дұрыс емес екені дәлелденді. Бұл мәселенің шешімі жиілікті көбейтушілер, бірнеше фотондарды жоғары энергияға біріктіретін оптикалық құрылғылар түрінде ізделді. Бұл құрылғылар OMEGA лазерінде және басқаларда тез арада сынақтан өтті және тиімді екені дәлелденді. Бұл процесс шамамен 50% тиімді болғанымен және бастапқы лазерлік қуаттың жартысы жоғалғанымен, алынған ультракөк сәуле нысаналық плазмамен әлдеқайда тиімді байланысады және нысананы жоғары тығыздыққа құлатуда тиімдірек. Осы шешімдерге қол жеткізгеннен кейін LLNL тұтану жағдайларын жасауға қажетті қуатқа ие құрылғыны салуды шешті. Жобалау 1970 жылдардың соңында басталды, көп ұзамай Novette лазерін сынақтан өткізуге кірісті. Бұл АҚШ-та қайталанатын энергия дағдарыстарының кезінде болды және баламалы энергия және ядролық қару зерттеулеріне көп қаржы жұмсалғандықтан, қаржыландыру табу қиын болмады.

LLNL's history with the ICF program starts with physicist John Nuckolls, who predicted in 1972 that ignition could be achieved with laser energies about 1 kJ, while "high gain" would require energies around 1 MJ. Although this sounds very low powered compared to modern machines, at the time it was just beyond the state of the art, and led to a number of programs to produce lasers in this power range. Prior to the construction of Nova, LLNL had designed and built a series of ever larger lasers that explored the problems of basic ICF design. LLNL was primarily interested in the Nd:glass laser, which, at the time, was one of a very few high energy laser designs known. LLNL had decided early on to concentrate on glass lasers, while other facilities studied gas lasers using carbon dioxide (e. g. Antares laser, Los Alamos National Laboratory) or KrF (e. g. Nike laser, Naval Research Laboratory). Building large Nd:glass lasers had not been attempted before, and LLNL's early research focused primarily on how to make these devices. One problem was the homogeneity of the beams. Even minor variations in intensity of the beams would result in "self focusing" in the air and glass optics in a process known as Kerr lensing. The resulting beam included small "filaments" of extremely high light intensity, so high it would damage the glass optics of the device. This problem was solved in the Cyclops laser with the introduction of the spatial filtering technique. Cyclops was followed by the Argus laser of greater power, which explored the problems of controlling more than one beam and illuminating a target more evenly. It was during experiments with Shiva that another serious unexpected problem appeared. The infrared light generated by the Nd:glass lasers was found to interact very strongly with the electrons in the plasma created during the initial heating through the process of stimulated Raman scattering. This process, referred to as "hot electron pre heating", carried away a great amount of the laser's energy, and also caused the core of the target to heat before it reached maximum compression. This meant that much less energy was being deposited in the center of the collapse, both due to the reduction in implosion energy, as well as the outward force of the heated core. Although it was known that shorter wavelengths would reduce this problem, it had earlier been expected that the IR frequencies used in Shiva would be "short enough". This proved not to be the case. A solution to this problem was explored in the form of efficient frequency multipliers, optical devices that combine several photons into one of higher energy, and thus frequency. These devices were quickly introduced and tested experimentally on the OMEGA laser and others, proving effective. Although the process is only about 50% efficient, and half the original laser power is lost, the resulting ultraviolet light couples much more efficiently to the target plasma and is much more effective in collapsing the target to high density. With these solutions in hand, LLNL decided to build a device with the power needed to produce ignition conditions. Design started in the late 1970s, with construction following shortly starting with the testbed Novette laser to validate the basic beamline and frequency multiplier design. This was a time of repeated energy crises in the U. S. and funding was not difficult to find given the large amounts of money available for alternative energy and nuclear weapons research.

Дизайн

Бастапқы құрылыс кезеңінде Накколл өзінің есептеулерінде қате тапты, ал TRW-нің Джон Фостер-младший төрағалық еткен 1979 жылдың қазан айындағы шолуда Nova-ның тұтануға жете алмайтыны расталды. Содан кейін Nova дизайны кішірек нұсқаға өзгертілді, ол 351 нм жарыққа жиілікті түрлендіруді қосты, бұл байланыс тиімділігін арттырды. «Жаңа Nova» он лазерлік күшейткіштен, яки сәуле желілерінен тұратын жүйе ретінде пайда болды. Әрбір сәуле желісі кеңістіктік сүзгілермен және нәтижедегі сәулелерді тазартуға арналған басқа оптикалық құралдармен бөлінген Nd: шыны күшейткіштер сериясынан құралды. Шам сызықтарын бүктеу әдістері бұрынғы Shiva кезінде белгілі болғанмен, сол кезде олар жетілдірілмеген еді. Nova құрылымында бір бүгілу болды, ал сәуле желілерін қамтитын лазерлік бөлік 91 метрге созылды. Сырт қараушыға 91 метрлік жиырма сәуле желісі бар сияқты көрінеді, бірақ бүгілудің арқасында онның әрқайсысы оптикалық жолдың ұзындығы бойынша шамамен 600 метр (183 метр) құрайды. Ату алдында Nd: шыны күшейткіштері алдымен оларды қоршап тұрған ксенондық шамдармен сорғыланады. Шамдар шығарған жарықтың бір бөлігі шыныға сіңіріліп, стимулданған эмиссия арқылы күшейтуге мүмкіндік беретін инверсиялық популяция тудырады. Бұл процесс өте тиімсіз, шамдарға берілетін қуаттың шамамен 1-1,5% ғана лазерлік энергияға айналады. Nova үшін қажетті лазерлік қуатты өндіру үшін шамдар өте үлкен болуы керек, олар лазерлік бөліктің астында орналасқан үлкен конденсаторлар жиынтығынан қуат алады. Шамдар сонымен қатар көп мөлшерде жылу бөліп шығарады, бұл шыныны деформациялайды, сондықтан шамдар мен шыныны қайтадан жағу үшін суытуға уақыт керек. Бұл Nova-ны күніне ең көп дегенде алты рет атумен шектейді. Сорғыланғаннан және атуға дайын болғаннан кейін, сәуле желілеріне лазерлік жарықтың шағын импульсі жіберіледі. Nd: шыны дискілері олар арқылы өтетін сәулеге қосымша қуат береді. Бірнеше күшейткіштен өткеннен кейін жарық импульсі басқа күшейткіштерге жіберілгенге дейін кеңістіктік сүзгіде «тазаланады». Әр кезеңде сәуленің диаметрін арттыру және үлкен күшейткіш дискілерін пайдалануға мүмкіндік беру үшін қосымша оптикалық құралдар қолданылды. Жалпы алғанда, Nova сәуле желілерінде он бес күшейткіш пен бес сүзгіден тұрды. Nova дәуіріндегі ғылыми журналдарда және басқа да материалдарда жарияланған құжаттар бұл мәселені жасырады немесе Nova тікелей қозғалтқыш әдісін қолданғанын көрсетеді, соқпақтарсыз. Бұрынғы Shiva-да болғандай, Nova синтез шығару бойынша үміттерді ақтамады. NOVA-дағы ең жоғары синтездік өнімділік бір атуға 1013 нейтронға дейін жетті. Бұл жағдайда проблема тұрақсыздыққа байланысты болды, ол құлау кезінде отынның турбулентті араласуына және соққы толқынының қалыптасуы мен таралуына кедергі келтірді. Бұл проблема Nova-ның сәуле желілерінің әрқайсысының шығыс энергиясын дәл сәйкестендіре алмауынан туындады, бұл шарықтың әртүрлі аймақтарына оның бетінде әртүрлі мөлшерде жылу түсуіне әкелді. Бұл жарылыс плазмасындағы ыстық нүктелерге әкелді, ол Rayleigh-Taylor тұрақсыздықтарын тудырып, плазманы араластырды, нәтижесінде орталық біркелкі құламады. Дегенмен, Nova бастапқы түрінде де пайдалы құрал болып қалды, ал негізгі мақсатты камера мен сәуле желілері төменде сипатталғандай өзгертілгеннен кейін де көптеген жылдар бойы қолданылды. Nova-ны жақсарту және NIF-ті жақсырақ түсіну үшін оның өмір бойында сәулелерді тегістеудің әртүрлі әдістері қолданылды. Бұл эксперименттер ғана емес, ICF түсінігіне, сонымен қатар жоғары тығыздық физикасына және тіпті галактика мен суперновалардың эволюциясына да үлкен үлес қосты.

During the initial construction phase, Nuckolls found an error in his calculations, and an October 1979 review chaired by John Foster Jr. of TRW confirmed that there was no way Nova would reach ignition. The Nova design was then modified into a smaller design that added frequency conversion to 351 nm light, which would increase coupling efficiency. The "new Nova" emerged as a system with ten laser amplifiers, or beamlines. Each beamline consisted of a series of Nd:glass amplifiers separated by spatial filters and other optics for cleaning up the resulting beams. Although techniques for folding the beamlines were known as early as Shiva, they were not well developed at this point in time. Nova ended up with a single fold in its layout, and the laser bay containing the beamlines was 300 feet (91 m) long. To the casual observer it appears to contain twenty 300 feet (91 m) long beamlines, but due to the fold each of the ten is actually almost 600 feet (183 m) long in terms of optical path length. Prior to firing, the Nd:glass amplifiers are first pumped with a series of Xenon flash lamps surrounding them. Some of the light produced by the lamps is captured in the glass, leading to a population inversion that allows for amplification via stimulated emission. This process is quite inefficient, and only about 1 to 1.5% of the power fed into the lamps is actually turned into laser energy. In order to produce the sort of laser power required for Nova, the lamps had to be very large, fed power from a large bank of capacitors located under the laser bay. The flash also generates a large amount of heat which distorts the glass, requiring time for the lamps and glass to cool before they can be fired again. This limits Nova to about six firings a day at the maximum. Once pumped and ready for firing, a small pulse of laser light is fed into the beamlines. The Nd:glass disks each dump additional power into the beam as it passes through them. After passing through a number of amplifiers the light pulse is "cleaned up" in a spatial filter before being fed into another series of amplifiers. At each stage additional optics were used to increase the diameter of the beam and allow the use of larger and larger amplifier disks. In total, Nova contained fifteen amplifiers and five filters of increasing size in the beamlines,

Confusingly, the indirect drive approach was not made widely public until 1993. Documents from the Nova era published in general science magazines and similar materials either gloss over the issue, or imply that Nova was using the direct drive approach, lacking the hohlraums. As had happened with the earlier Shiva, Nova failed to meet expectations in terms of fusion output. The maximum fusion yield on NOVA was about 1013 neutrons per shot. In this case the problem was tracked to instabilities that caused turbulent mixing of the fuel during collapse and upset the formation and transmission of the shock wave. The problem was caused by Nova's inability to closely match the output energy of each of the beamlines, which meant that different areas of the pellet received different amounts of heating across its surface. This led to hot spots on the pellet which were imprinted into the imploding plasma, seeding Rayleigh–Taylor instabilities and thereby mixing the plasma so the center did not collapse uniformly. Nevertheless, Nova remained a useful instrument even in its original form, and the main target chamber and beamlines were used for many years even after it was modified as outlined below. A number of different techniques for smoothing the beams were attempted over its lifetime, both to improve Nova as well as better understand NIF. These experiments added considerably not only to the understanding of ICF, but also to high density physics in general, and even the evolution of the galaxy and supernovas.

Екі сәуле

Nova аяқталғаннан кейін көп ұзамай, оны тәжірибелік құрылғы ретінде жақсарту үшін өзгерістер енгізілді. Бір мәселе, тәжірибелік камераны келесі ату үшін қайта дайындауға көп уақыт кетті, бұл лазерлерді салқындатуға қажетті уақыттан да ұзақ болды. Лазердің тиімділігін арттыру үшін, он сәуле жолын екіге біріктіретін оптикалық жүйемен жабдықталған екінші тәжірибелік камера бастапқы камераның артына салынды. Nova ескі Shiva ғимараттарының қабырғасына орналастырылған, екі тәжірибелік камера бір-біріне тікелей жанасып, сәулелер орталық нысана аймағынан сыртқа қарай бағытталған. Екі сәулелік жүйе сәуле бағыттағыштары мен қатысты оптиканы енді пайдаланылмайтын Shiva эксперименттік аймағы арқылы өткізіп, кішігірім тәжірибелік камераны Shiva-ның сәулелік бөлігіне орналастырды.

LMF және Nova жаңарту

Nova-ның ішінара табысы және басқа эксперименттік деректер Энергетика департаментін 100 мен 1000 МДж арасындағы синтездік шығымға қол жеткізе алатын, арнайы әскери ICF құрылысын, яғни «Лабораториялық микросинтез құрылысын» (LMF) сұрауға итермеледі. LASNEX компьютерлік модельдеріне сүйенсек, LMF үшін шамамен 10 МДж қуаты бар драйвер қажет болды. LLNL 5 МДж, 350 нм (күлгін) драйверлі лазері бар дизайн ұсынды, ол шамамен 200 МДж шығымға жете алатын, бұл LMF мақсаттарының көпшілігіне қол жеткізу үшін жеткілікті болды. Бағдарламаның құны 1989 жылғы қаржы жылының долларымен шамамен 600 миллион долларға бағаланды, ал қажет болған жағдайда толық 1000 МДж-ға дейін жаңарту үшін тағы 250 миллион доллар, ал егер LMF DOE талап еткен барлық мақсаттарға жетсе, 1 миллиард доллардан асып түсуі мүмкін еді. Бұл есепте LANL-де жүргізіліп жатқан газдағы лазерлік эксперименттері де сынға алынып, басқа да зертханалардағы ұқсас жобаларды тоқтату ұсынылды. Есеп LASNEX деректерін қабылдап, 10 МДж шамасындағы лазерлік энергиямен жұмыс істеуді жалғастырды. Дегенмен, авторлар энергияның қажеттілігі жоғары болуы мүмкін екенін білді және «Шындығында, тұтану мен күшейту үшін 100 МДж драйвері қажет болса, ICF-ке қатысты барлық тәсілдер мен негіздемелерді қайта қарастыру қажет болады» деп атап өтті. Жаңа дизайн драйвер бөліміндегі технологияны жетілдіретін бірнеше жаңалықтарды қамтыды, соның ішінде негізгі күшейткіштерде көп өту схемасы және 18 сәуле желісі (бұрынғы 10-нан асып түседі), олар нысана аймағына кіргенде жарықтандырудың біркелкілігін жақсарту үшін 288 «сәулешікке» бөлінді. Жоспарлар лазерлік сәуле желілерінің екі негізгі блогын орнатуды көздеді: біреуі қазіргі Нова сәуле желісі бөлмесінде, ал екіншісі жанындағы ескі Шива ғимаратында, оның лазерлік бөлігі мен нысана аймағы арқылы жаңартылған Нова нысана аймағына дейін созылатын еді. Лазерлер 4 нс импульспен шамамен 500 ТВ қуатты беретін еді. Жаңартулар жаңа Nova-ның 2 мен 20 МДж арасындағы синтездік шығымды өндіруге мүмкіндік береді деп күтілді. Содан бері жоспарлар қазіргі Ұлттық тұтану құрылысына айналды.

Nova's partial success, combined with other experimental numbers, prompted Department of Energy to request a custom military ICF facility they called the "Laboratory Microfusion Facility" (LMF) that could achieve fusion yield between 100 and 1000 MJ. Based on the LASNEX computer models, it was estimated that LMF would require a driver of about 10 MJ, LLNL returned a design with a 5 MJ 350 nm (UV) driver laser that would be able to reach about 200 MJ yield, which was enough to access the majority of the LMF goals. The program was estimated to cost about $600 million FY 1989 dollars, and an additional $250 million to upgrade it to a full 1000 MJ if needed, and would grow to well over $1 billion if LMF was to meet all of the goals the DOE asked for. The report was also critical of the gas laser experiments being carried out at LANL, and suggested they, and similar projects at other labs, be dropped. The report accepted the LASNEX numbers and continued to approve an approach with laser energy around 10 MJ. Nevertheless, the authors were aware of the potential for higher energy requirements, and noted "Indeed, if it did turn out that a 100 MJ driver were required for ignition and gain, one would have to rethink the entire approach to, and rationale for, ICF." The new design included a number of features that advanced the state of the art in the driver section, including the multi pass design in the main amplifiers, and 18 beamlines (up from 10) that were split into 288 "beamlets" as they entered the target area in order to improve the uniformity of illumination. The plans called for the installation of two main banks of laser beam lines, one in the existing Nova beam line room, and the other in the older Shiva building next door, extending through its laser bay and target area into an upgraded Nova target area. The lasers would deliver about 500 TW in a 4 ns pulse. The upgrades were expected to allow the new Nova to produce fusion yields between 2 and 20 MJ From then on the plans evolved into the current National Ignition Facility.

Петават

1980 жылдардың соңында өте қысқа, бірақ өте жоғары қуатты лазерлік импульстерді жасаудың жаңа әдісі әзірленді, ол цирк импульстік күшейту (chirped pulse amplification) немесе CPA деп аталады. 1992 жылдан бастап LLNL қызметкерлері Nova-ның қолданыстағы бір бөлігін өзгертті, нәтижесінде 1,25 PW дейін импульс тудыратын тәжірибелік CPA лазері құрылды. Жасылша Petawatt деп аталған бұл лазер 1999 жылға дейін жұмыс істеді, содан кейін Nova жабылып, NIF құрылысына орын босатылды. Nova және сол дәуірдегі басқа да жоғары қуатты лазерлерде қолданылатын негізгі күшейту жүйесі қуат тығыздығы және импульс ұзындығы тұрғысынан шектеулі болды. Бір мәселе – күшейткіш әйнегі бірден емес, белгілі бір уақыт ішінде жауап берді, сондықтан өте қысқа импульстер күшейтілмеді. Тағы бір мәселе – жоғары қуат тығыздығы бұрынғы конструкцияларда туындаған өзін-өзі фокустау (self-focusing) проблемасын тудырды, бірақ оның масштабы соншалықты үлкен болды, тіпті кеңістіктік сүзгілеу сияқты шаралар да жеткіліксіз болды. Шын мәнінде, қуат тығыздығы ауада жіп тәрізді құрылымдардың (филаменттер) пайда болуына жеткілікті болды. CPA осы екі проблеманың екеуінен де қашады, лазерлік импульсті уақыт бойынша кеңейту арқылы. Бұл екі дифракциялық тордың тізбегінен салыстырмалы түрде көп түсті (көптеген лазерлермен салыстырғанда) импульсті шағылыстыру арқылы жүзеге асырылады, бұл оларды кеңістікте әртүрлі жиіліктерге бөледі – бұл қарапайым призманың көрінетін жарықпен жасайтынымен бірдей. Бұл жеке жиіліктер сәуле жолына кері қайтарылғанда әртүрлі қашықтықтарды жүзеді, нәтижесінде импульс уақыт бойынша "созылады". Бұл созылған импульс күшейткіштерге қалыпты жағдайда беріледі, олар енді қалыпты түрде жауап беруге уақыт алады. Күшейтілгеннен кейін сәулелер екінші жұп торларға "кері" жіберіледі, оларды жоғары қуатты бір қысқа импульске қайта біріктіреді. Оптикалық элементтердің жіп тәрізді құрылымдардың (филаменттер) пайда болуына немесе зақымдануына жол бермеу үшін, сәуле жолының соңы үлкен вакуумдық камераға орналастырылады. Petawatt жылдам тұтандыру (fast ignition) тұжырымдамасының практикалық негізін дамытуда маңызды рөл атқарса да, ол тұжырымдаманы дәлелдейтін құрылғы ретінде жұмыс істеген кезде NIF-ті дамыту туралы шешім қабылданған болатын. Жылдам тұтандыру әдісі бойынша жұмыс жалғасуда, және ол Еуропалық Одақта дамытылып жатқан HiPER эксперименталды жүйесінде NIF-тен әлдеқайда жоғары деңгейге жете алады.

Starting in the late 1980s a new method of creating very short but very high power laser pulses was developed, known as chirped pulse amplification, or CPA. Starting in 1992, LLNL staff modified one of Nova's existing arms to build an experimental CPA laser that produced up to 1.25 PW. Known simply as Petawatt, it operated until 1999 when Nova was dismantled to make way for NIF. The basic amplification system used in Nova and other high power lasers of its era was limited in terms of power density and pulse length. One problem was that the amplifier glass responded over a period of time, not instantaneously, and very short pulses would not be strongly amplified. Another problem was that the high power densities led to the same sorts of self focusing problems that had caused problems in earlier designs, but at such a magnitude that even measures like spatial filtering would not be enough, in fact the power densities were high enough to cause filaments to form in air. CPA avoids both of these problems by spreading out the laser pulse in time. It does this by reflecting a relatively multi chromatic (as compared to most lasers) pulse off a series of two diffraction gratings, which splits them spatially into different frequencies, essentially the same thing a simple prism does with visible light. These individual frequencies have to travel different distances when reflected back into the beamline, resulting in the pulse being "stretched out" in time. This longer pulse is fed into the amplifiers as normal, which now have time to respond normally. After amplification the beams are sent into a second pair of gratings "in reverse" to recombine them into a single short pulse with high power. In order to avoid filamentation or damage to the optical elements, the entire end of the beamline is placed in a large vacuum chamber. Although Petawatt was instrumental in advancing the practical basis for the concept of fast ignition fusion, by the time it was operational as a proof of concept device, the decision to move ahead with NIF had already been taken. Further work on the fast ignition approach continues, and will potentially reach a level of development far in advance of NIF at HiPER, an experimental system under development in the European Union.

Нованың "өлуі"

Nova-ны NIF құру үшін бөлшектегенде, мақсатты камера Францияға Лазерлік Мегажоульді әзірлеу кезінде уақытша пайдалануға берілді, бұл жүйе көп жағынан NIF-ке ұқсас болатын. Бұл қадам дау тудырды, себебі сол кезде LLNL-дегі жалғыз жұмыс істейтін лазер, Beamlet (NIF-тің бір ғана тәжірибелік сәуле желісі) жақында Нью-Мексико штатындағы Sandia Ұлттық зертханасына жіберілген еді. Осының салдарынан LLNL-де NIF іске қосылғанға дейін ірі лазерлік кешен болмады, ал ол ең ерте 2003 жылы іске қосылатын болып бағаланды. NIF-тің жұмысы ресми түрде 2009 жылдың 31 наурызында аяқталды деп жарияланды.