意大利能源研究院（ENEA）最新研究展示了通过高精度3D打印微结构泡沫，在高功率纳秒激光下的行为及惯性约束核聚变（ICF）应用潜力。团队结合实验和全三维FLASH辐射-流体动力学模拟，量化了泡沫的烧蚀速度与激光散射机制，验证了设计泡沫用于ICF靶的可行性。该研究标志着微型增材制造从原型走向高能物理精密材料，同时为未来ICF燃料胶囊和激光驱动聚变靶设计提供可靠的实验与模拟依据。
意大利能源研究院（ENEA，意大利国家新技术、能源与可持续经济发展局）发布了最新研究成果，展示了精密设计的增材制造泡沫在高功率纳秒激光脉冲照射下的表现。该研究由Mattia Cipriani等人在2025年6月4日的arXiv预印本中发布，将ENEA位于Frascati研究中心的40 J “ABC” Nd:玻璃激光器实验与完整的三维FLASH辐射-流体动力学模拟结合，用于量化烧蚀速度和激光散射机制，这对于未来惯性约束聚变（ICF）靶设计至关重要。
ICF是一种通过使用高强度能量脉冲（通常是激光或粒子束）快速压缩并加热小型燃料丸来实现核聚变的方法，燃料丸通常由氘和氚两种氢的同位素组成。
这项研究凸显了一个关键转变：增材制造不再仅是原型制作工具，它现在正被验证为高能物理精密材料的一种路线。实验与全物理模拟结果的一致性标志着利用微型增材制造进行预测性聚变设计的一大步。
高强度照射
研究团队与立陶宛维尔纽斯大学激光纳米光子学团队合作，通过双光子聚合（2PP）激光直写技术制造了500 µm宽的格栅状泡沫晶格。使用SZ2080混合光聚合物打印，并固定在立体光固化打印的支架中，这些结构的特征为：丝径14 µm，丝间距39 µm，体积密度0.35 g cm⁻³。
单个5 ns、1054 nm脉冲聚焦到50 µm或100 µm光斑，提供从1.3 × 10¹⁴ W cm⁻²到7 × 10¹⁴ W cm⁻²的强度，穿过100–400 µm厚的靶材。时间分辨诊断包括：条纹相机成像、用于反射/透射光的快速光电二极管，以及可见光光谱，用于监测激光-等离子体不稳定性。
（图）600×扫描电子显微镜下的3D打印格栅泡沫，用于激光照射实验。图片来源：ENEA / Cipriani等人。
模拟验证“侵蚀波”模型
四次FLASH模拟再现了精确的晶格几何和激光光锥，显示两种极端情况：光束聚焦在丝交叉点（“C”）和光束聚焦在通孔（“H”）。H几何中的通道引发快速体积加热和更早突破，而C照射烧蚀速度较慢。预测的侵蚀波突破时间为6.4–9.4 ns，对应速度为24–31 µm ns⁻¹。
条纹相机图像显示，平均侵蚀速度在低强度下为25 µm ns⁻¹，高强度下为29 µm ns⁻¹，完全在模拟预测范围内。几乎为零的透射率和高度可变的反射率表明晶格内散射强烈，同时时间积分光谱捕捉到双等离子体衰减发射，凸显膨胀泡沫内部复杂的密度梯度。
（图）ENEA ABC Nd:玻璃激光实验布局，显示快速光电二极管、条纹相机和光谱仪位置。图片来源：ENEA / Cipriani等人。
研究意义
设计泡沫有望抑制激光印痕效应，提高能量吸收，并在直接驱动ICF胶囊中承载先进的“湿润泡沫”燃料层。通过展示实验与第一性原理三维模拟的量化一致性，ENEA–维尔纽斯研究验证了增材制造路线及所需建模工具，可用于工程下一代聚变靶。
标准化与高速升级推动双光子聚合向生产化发展
自ENEA首次构思其架构泡沫靶实验以来，2PP技术已迅速成熟。2024年，TU Wien–Caltech–UpNano团队建立了首个2PP零件的批量机械基准，证明该工艺可用于高要求应用。早在2020年，总部在维也纳的UpNano使用一瓦激光和自适应分辨率光学，大幅缩短了打印时间，同时保持亚微米精度。这些进展将ENEA最新研究置于更广阔的趋势之中：微型增材制造平台正在变得快速、可重复，并且经过充分表征，足以供应下一代聚变靶及其他高性能应用。
