192束激光对圆柱形靶标内表面加热，最终对装有氘和氚的小舱点火形成氦
一开始是一束低能量的激光脉冲，然后将其分成48束并分别放大到约5J(焦耳)，再后来将48束激光脉冲分成192束，并再次放大直到它们各自达到约20 kJ(千焦)。经调整后，将光束投射到球状靶室，此时的光束由红外光转换为紫外光，然后将其汇聚到靶标以释放1．8 MJ(百万焦)能量给一个仅仅2mm直径的样品。所有的这一切在初始脉冲激发后约1毫秒、互相作用时间10皮秒内完成，目标是让光束击中靶标。
激光分段通道一，在此96束红外激光被放大到20kJ
今夏有望点火
这就是位于劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的国家点火装置(NIF)项目所进行的工作。NIF的目标是高比能量(high－energy－density)研究，以及通过实验深入了解大行星和恒星的活动方式。NIF的实验还将帮助提高聚变能源的应用以及提高核武器储存的管理。
NIF装置的铺设在今年3月31日前完成，其结构部分已在1月份结束，装置目前正在用低能量激光光束运行。LLNL的科学家和技术人员在接下来的数月中将逐渐提升功率，他们期望今年夏天在满负荷状态下对所有192束光束实现点火的首次“击发”。
进入NIF靶室
最后的检查
NIF装置全貌
以人的视野来看，NIF是难以想象的。NIF中大部分设备都是巨无霸：两台像巨穴似的激光分段器，每台有96根40x40cm的管道；直径10米、由10cm厚的铝制成的巨大靶室；由巨大的、350kg重的晶体切成的薄片组成的透镜组；有7500个大的光学控制点、26000个小的光学控制点，以及60000个计算机控制点和在装置中用于保持激光管与空气隔离的1900 L液态氩，全套装置价值35亿美元。
与之形成鲜明对比的是一个小小的靶标。NIF副主管、化学工程师杰夫·阿瑟顿(Jeff Atherton)说：“NIF装置占据了足球场大小的场地是为了容纳这些巨大的激光器，最终它们全都要聚焦到一个小小的靶标上。”
为了NIF的顺利启动，LLNL为一些研究小组提供了经费。伯克利加利福尼亚大学的地球及行星科学家雷蒙德·琼洛兹(Raymond Jeanloz)领导了其中一个小组。琼洛兹的研究方向是行星的结构构成，如木星和土星，甚至超大行星。在这些行星上，温度有成千上万摄氏度，而压力则高达数百万甚至数千万大气压。
这些严苛的条件意味着超大行星上的物质可能比地球稠密100倍。“因而，特别对于更重的元素来说，化学键现在占据了核心的电子轨道，”琼洛兹说，“我们正在真正进入到一个过去从没有探究过的化学体系，即便是理论家们对此也鲜有涉及。”不过用不了多久，NIF将会对此进行有效的实验。“它正在激励理论家们计算并作出预报：什么样的晶体或液态结构是稳定的，材料的物理和化学属性是什么，以及什么样的化合物能被合成，等等。”琼洛兹说。
关注三类实验
琼洛兹特别关注三类实验：一是探究在极端高密度下固体材料的特性和强度；二是确定铁在数千兆大气压下的晶体和液态结构是否稳定；三是模拟考察大行星和超大行星的环境是否由氢和氦或少量其他元素组成。
“对土星、木星以及类似的行星我们有非常有趣的议题要探讨，”琼洛兹说，如果我们深入行星内部探测，“当向其行进到半途时氢就成了流体了，而氦则是非金属的。它们在化学上是不能混合的，就像油和水一样是分离的。但在更高的压力下，估计氦可能会变成金属态，并且与氢一起形成合金。”
琼洛兹的实验方式是：当激光束击中铁或氢和氦样品外表时，其表面瞬间变得很烫并产生气体；而当气体被吹回到激光器的同时，后者又将激发的冲击波发射到样品，以此循环，时间长度不超过20纳秒，以此探究其时所产生的温度和压力是否类似于行星内部的环境。
对于实验数据，琼洛兹及其同事可能会从激光束中发现X－射线的衍射模式，确定穿过样品的波的压力、密度以及属性等参数以寻找黑体辐射，就如同在测量恒星温度时所做的那样。
为了获得更高的密度并保持行星环境的温度，甚至可以先将样品放在金刚石砧台上“挤压”，然后震动挤压过的样品。琼洛兹说，类似的压力在过去也取得过，那是在冷战期间由苏联在核爆炸所做的实验中取得的。NIF则提供了一个更为可控的场所，不需要引爆核弹头。
为了达到超大行星环境的更高温度，研究者们甚至可以进入天体物理学的世界。洛杉矶加利福尼亚大学物理学家兼LLNL科学家的克里斯托弗·尼曼(Christoph Niemann)领导的一个小组，在关注天体物理现象的同时展开了对核聚变的研究。
尼曼正在探索模拟两个等离子体交汇时产生冲击波的途径，比如太阳风同地球磁层场交汇，或冲击星际空间的超新星爆发。“你需要NIF的激光来释放在这些实验中产生冲击波所需的能量，尤其是在超新星遗迹中所产生的激波，”尼曼说。据信，这些激波是地球观察到的宇宙射线的源头。
尼曼打算用激光加热富含氢的固态靶标以产生等离子体，在NIF受控环境下重新构建等离子体碰撞的情景。两个靶标可以相互发射等离子体，科学家也可以在充满氦或氢的靶室，了解等离子体是如何与气体发生碰撞的。关键是搞清等离子体的冲撞是如何发生的和它们是如何储存其能量的，包括它们是如何相互作用并对粒子进行加速的，以及最终的结果的是什么。
尼曼说：“实际上这都是些基本的科学问题，弄清楚这些有助于我们了解宇宙内部的活动方式。”
提高点火速度
NIF有足够的能量为核聚变点火，这也是尼曼研究的另一个领域――聚变产生的能量是未来地球的一种新能源。为了让聚变成为一种可行的能源，NIF或一个类似的装置需要以每秒10周的速率点火；而目前NIF只能做到每4～5小时点一次火。提高点火速度的办法之一是将靶标燃料的压缩和加热过程分离，但其中有大量的等离子物理学问题有待解决。尼曼等人目前采用的是超短波激光脉冲方法，旨在产生X－射线以观测靶标样品内部发生的变化，以提高NIF的点火速度。
聚变也是一场核反应，由于美国在1992年停止了核武器试验，NIF因此可以从中制定出一个标准，用来检验与核武器储存管理相关的问题。“这是一个巨大的挑战，因为物理学是一门建立在实验基础上的学科，”LLNL激光和等离子物理学家莫迪克·罗森(Mordecai D．Rosen)说。尽管研究人员可以检验核武器的电子或引爆部分，但他们却无法以实际的核反应方式来观察核武器爆炸时发生的情况。由于事涉机密，罗森不愿意过多地解释。
世界上还有其他类似的激光设备正在建造或规划中，其中有法国的Laser Mégajoule，英国牵头的高能激光项目(HiPER)以及中国和日本计划的项目。但到目前为止，“NIF是地球上唯一能在高比能量条件下，即在太阳中心或核武器爆炸的条件下点燃聚变之火的实验室，”罗森说。虽然实验还在进行，科学家们必将从中学到很多东西。