从10天到1天：LLNL用双光子聚合整体打印NIF聚变靶关键组件

劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）正在用双光子聚合（2PP）给国家点火装置（NIF）制造靶部件。复合抛物面聚光器（CPC）过去要十天才能做出来，现在一天就能完成。

这项激光增材制造工艺还把 CPC 从多步机加工里解放出来，并给 NIF 实验打开了新的靶构型。在 2026 年 9 月的一项离子快点火发现科学计划里，就部署了一种由此而来的设计。

LLNL 的靶制造团队负责为 NIF 设计、建造、组装和测试靶。NIF 为高能量密度（HED）物理研究创造极端压力和温度，每个靶包含数十个部件，用来把激光能量引导到燃料胶囊，并让诊断仪器记录数据。

CPC 就是其中一个部件。内爆过程中，它把 X 射线源引导到燃料胶囊上，方便做诊断测量。它的窄端直径只有 20 微米，不到人类头发宽度的一半。

机械设计师斯科特·冯霍夫说，复合抛物面聚光器非常难处理。它尺寸约 1.5 毫米，比过去用来操作零件的真空吸嘴还小，而且没有平面。

问题就卡在这里，而且很棘手。

常规做法要绕好几个弯。铜芯模先通过金刚石车削成形，表面镀金并涂覆塑料。接着把零件加工到最终形状，再溶解掉芯模，把锥体接到支撑结构上。

传统工艺不是做不出来，只是步骤多，尺寸又小，每一步都得跟微米级误差较劲。

既然传统工艺能做，为什么还要换？

2PP 换了一个思路。

它把高强度激光聚焦到不足 1 微米的光斑，让两个光子在同一时刻被吸收，从而在极小尺度上完成打印。

靶制造领域的增材制造部署负责人马克西姆·舒斯特夫描述了早期方法的不足。他说，此前增材制造达不到所需特征尺寸，打印区域也太小，只能把零件拼接起来，拼接件无法满足表面粗糙度要求。

2PP 为靶制造打开了很大的设计空间。采用 2PP 后，CPC 被打印成一个整体组件，还省掉了镀金。

能打印出来，不等于能直接上 NIF。

NIF 实验产生关键的国家安全数据，所以每个新部件都要经过仔细表征和测试，确保它不会损害实验结果。NIF 每年运行约 300 次实验，新部件会先放到其他激光装置上测试，包括 LLNL 的木星激光设施和罗切斯特大学的激光能量学实验室。

靶设计还必须阻止反射激光返回光束线，因为反射光可能在那里损坏光学元件。这就要求严格控制表面粗糙度，并采用不会把光反射到非期望方向的外形。

在聚变靶这类工作上，制造精度不是配角，它直接决定实验能不能成立。

2026 年 4 月的一次实验中，一个 2PP 打印的 CPC 被用到一块金盘靶上，用来校准诊断设备。

它的性能与传统制造的部件相当。

部件准备就绪后，团队把它投入一项关于离子快点火的发现科学计划。该计划研究离子如何穿过致密等离子体并与之相互作用。

发现科学计划约占 NIF 实验时间的 8%，和该设施主要的国家安全工作并行。该计划需要一种新靶，用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。

施塔德曼说，没有新的 2PP 方法，这原本不可能实现。由于位置被遮挡，装配公差又严格，把 CPC 直接连接到离子源上颇具挑战。

团队打印了一个 CPC，内部形状与几个月前一次对比实验中使用的 CPC 相匹配。外部轮廓经过修改，使该部件能够装入一个金锥内。

金锥上增加的导轨让 CPC 能滑入到位，再用胶点粘固定。第二个部件靠近 CPC 锥的内凹锥，也用 2PP 打印。

这个锥体必须非常精确，以防止激光背向散射。金刚石车削本可以制造它，但它离轴几何形状会让加工非常困难。

该计划的首次实验于 2026 年 9 月进行。研究人员目前正在分析数据，结果将用于该计划下一次实验的靶设计。

工程师们还在研究 2PP 可以制造的其他靶部件。其一是带有晶格结构的燃料胶囊，这种晶格结构可以容纳浸润泡沫，这将是一种形成胶囊燃料层的新方法。

LLNL 用 2PP 解决的，是聚变靶工作里的制造瓶颈。在这类工作中，带有微米级特征、又受严格表面粗糙度限制的部件，过去一直靠多步机加工、镀膜和浸出工艺制造。

另一条线来自意大利。意大利国家新技术、能源和可持续经济发展署（ENEA）从材料角度研究了打印靶结构。

其研究人员与维尔纽斯大学激光纳米光子学团队合作，使用 2PP 激光直写制造了宽 500 微米、支柱为 14 微米的木堆型晶格。随后，他们用 ENEA 的 40 焦耳 ABC 型掺钕玻璃激光器产生 5 纳秒脉冲，辐照这些晶格。

团队把实验与完整的三维模拟结合起来，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。

和 LLNL 一样，ENEA 也借助 2PP 来构建微米级聚变靶结构。

这些工作把打印与聚变相关条件下的测试结合在一起。LLNL 的 CPC 现在已经在一个完整的 NIF 实验靶里走到了这一步。