高功率激光片状放大器中自发辐射放大研究

采用理论模拟和实验研究相结合的方法,研究了高功率激光片状放大器中的自发辐射放大(ASE)效应。建立了一套较完整的包含空间和时间的3维ASE模型,分析了不同电压、不同储能分布和不同泵浦时刻、不同增益长度积条件下ASE效应对放大器储能效率和小信号增益系数的影响。对4×2×3组合式放大器的计算结果表明:随着泵浦电压升高,ASE效应明显加强;23kV泵浦电压下,ASE效应造成的平均储能下降21 0%,小信号增益系数损耗为16.62%,增益不均匀性为7.44%;增益长度积可以作为判断ASE效应的依据,其值越大,ASE效应越强。

基于DEA的建设工程项目技术创新效率动态评价方法

现有文献主要从区域、产业和企业等层面探讨技术创新效率评价方法。本文针对建设工程项目独特性和创新性特点,分别从工程过程管理和组织行为视角分析技术创新影响因素,确定效率评价的构成要素,运用系统动力学构建技术创新能力动态模型。同时,将动态模型与DEA算法结合,完整给出建设工程项目的技术创新效率评价方法。同时,以8个项目进行案例分析,得到各项目技术创新效率值及排序;并选取3个关键要素进行敏感性分析,结果表明提高专利工法申请量是提升效率的最有效途径。研究成果将为管理者提升项目管理绩效提供方法依据。

激光冲击波清洗K9玻璃表面SiO_2颗粒的研究

光学元件表面的颗粒污染物会影响到光学系统的正常运行,为了解决此污染问题,采用激光等离子体冲击波清洗法移除K9玻璃表面的SiO_2颗粒污染物。在激光器扫描模式下,实验研究此方法的清洗效果;在激光单点作用下,理论计算了颗粒位置、激光作用距离及激光能量对清洗效果的影响,并以实验加以验证。结果表明,通过良好地控制激光参量,采用Nd:YAG激光清洗K9玻璃表面的SiO_2颗粒具有明显的效果;在激光单点作用下,计算结果与实验结果规律一致。

基于加速退化数据的金属化膜脉冲电容器可靠性分析

基于金属化膜脉冲电容器的失效机理,研究了基于加速退化数据的金属化膜脉冲电容器可靠性评估问题,给出了一个该型电容器的加速退化失效模型和参数统计推断方法。基于试验数据可求得该型电容器可靠性模型中未知参数的估计值分别为9.066 9×10-8和0.022 1,将该值代入失效分布函数即可确定电容器的失效模型,由此模型求得该型电容器充放电20 000次的可靠度为0.972 4。使用这种分析方式对金属化膜脉冲电容器进行可靠性分析将更能节省试验时间和费用。

片状热容激光器热效应有限元分析

基于激光介质的非均匀内热源模型,利用有限元数值方法,模拟计算了热容模式下高功率激光二极管阵列(LDA)重复脉冲泵浦片状激光介质的瞬态温度分布和热应力分布及其波前畸变和应力双折射。结果表明:热容模式下,当增益介质不能够被全口径泵浦时,也会出现严重的热效应,介质的表面靠近边缘处会出现大的拉应力集中,介质表面的最大轴向位移和最大拉应力随泵浦光斑尺寸缩小而增大;而当全口径泵浦时,介质表面热形变大大减弱,较小的拉应力存在于介质内部,而且泵浦光斑和介质的几何形状对热分布有很大影响。结果还表明,介质片表面变形和热光效应是产生波前畸变的主要原因,而热应力双折射产生的附加相移与激光介质的切割方向有关,它对光束产生较大的退偏作用,从而影响激光器的输出性能。理论模型得到了实验结果的验证。

高功率固体激光驱动器污染控制及片状放大器洁净度改进

针对高功率固体激光驱动器的安全运行,提出了覆盖驱动器建设全过程的污染控制方法,详细介绍了洁净清洗、洁净检测、洁净保护等保障污染控制效果的技术手段,并介绍了神光-Ⅲ主机装置片状放大器洁净度提升所采取的技术途径,以及片状放大器光照清洗实验中气溶胶等级随闪光灯照射次数的变化情况。实验结果表明,神光-Ⅲ主机装置的洁净水平与美国国家点火装置(NIF)接近且优于其他同类装置,洁净度的大幅提升为装置的安全运行提供了有力保障。

高功率激光放大器片腔洁净度实验研究

在氙灯放电泵浦过程中 ,放大器片腔内材料在高强度氙灯光辐照下 ,存在显著的热解过程 ,产生大量的微米级悬浮粒子。在两种实验条件下对粒子数进行了测量 :一是放大器氙灯泵浦结束之后悬浮粒子的自然消散过程 ;二是氙灯泵浦结束之后利用大气流量的超纯氮气冲洗片腔之后的粒子数测量。研究结果表明 ,正常情况下 ,氙灯泵浦结束后片腔洁净度达到了 1 0～ 50万级气溶胶的水平 (在粒子直径≥ 0 .5μm的水平上 )。

激光装置片状放大器组件的氙灯可靠性分析

整理惯性约束聚变激光装置的运行记录和氙灯的故障数据,得到10种氙灯故障现象,并且归纳为3类,即触发故障、绝缘故障和氙灯爆炸,按故障发生时间可以分为"引发失效"的故障和"舍生取义"的故障。分析3类氙灯故障与片状放大器组件以及装置打靶成功率的逻辑关系,生成基于氙灯故障的装置打靶故障树,描述氙灯可靠性对于装置打靶成功的重要性。分析氙灯的生产工艺流程和工艺缺陷,生成氙灯的故障与工艺的鱼刺图,揭示氙灯故障的根源。

神光-Ⅲ主机激光装置片状放大器洁净控制进展

针对神光-Ⅲ主机激光装置片状放大器的洁净控制采取了一系列有效措施。除了设计上更有利于洁净控制外,机械结构件表面残留不挥发性有机污染物也达到了低于1 mg/m2的水平。为了进一步提高放大器洁净度,进行了光照清洗。实验结果表明：神光-Ⅲ主机装置的洁净水平与美国国家点火装置接近,光照清洗时内部气溶胶等级维持在5 000~10 000之间,且绝大部分表面有机残留物在最初几发光照清洗中已被释放,从而得到一个干净的放大器腔体,减少了放大器运行时光学元件受污染和损伤的几率。

基于耗损失效模型的金属化膜脉冲电容器可靠性评估

高储能密度金属化膜脉冲电容器是惯性约束聚变装置的关键元器件,由于其“自愈”特性,在短时间内很难得到它的失效数据。通过分析电容器的失效机理,给出了金属化膜脉冲电容器的一个耗损失效模型,推导了该模型的失效概率密度函数和分布函数,并利用电容器的性能衰退数据对其进行了可靠性分析。所选的某型金属化膜脉冲电容器未知参数估计值为0.0001194和0.0067,将该值代入失效分布函数和概率密度函数中,从而确定电容器的失效模型,由此模型求得该型电容器充放电10000次的可靠度为0.9885,预计寿命为23461次充放电。在工程实践中使用该模型对该型电容器进行可靠性分析可节约大量的试验成本。

表面污染物诱导熔石英损伤的热力学数值模拟

为了研究高功率固体激光装置内污染诱导光学元件损伤问题,基于有限元数值方法,结合污染物诱导熔石英损伤机理,给出了熔石英样片在高功率脉冲激光辐照下的温度场和应力场分布。结果表明,激光脉冲辐照过程中主要以污染物的温度升高为主,最高至2800K,而样片温升不大,仅为7K;在激光脉冲辐照后100μs的时间内,样片表面中心快速升温至2200K,而边缘处仅为700K,在较短的距离内温度变化剧烈,由此产生的热应力导致表面发生损伤;损伤区域中心表现为压应力,边缘为拉应力,最大可达30.73MPa。测试了污染物诱导样片损伤斑的微观显微形貌,实验结果和理论计算结果符合较好。

四程放大激光系统输出能量稳定性研究

根据原型装置主放大系统组合式四程放大结构的特点,计算分析了放大过程中注入能量、放大增益及损耗的微小起伏对系统输出能量稳定性的影响。根据原型装置集成实验结果,分析了目前原型装置单路输出能量稳定性水平。研究结果表明:注入能量越大,其变化对输出能量影响越小;小信号增益系数对输出能量的影响明显大于注入能量;系统输出能量稳定性对腔内光学元件的透过率变化要求高于腔外光学元件。在3 ns基频光输出达标点处要使输出能量不稳定性控制在5%以内,注入能量起伏要低于10%,腔内放大片小信号增益系数起伏要低于1%,腔内光学系统损耗起伏要低于2%。

高功率光学元件畸变波前位相均方根梯度计算

根据实际光学元件的畸变波前建立了畸变波前模型,分析了位相均方根梯度计算过程中,三种波前数据处理方式的各自特点及优劣,并得出最佳处理方式,即对波前边缘增添零采样点、加汉宁窗处理、傅里叶变换、低通滤波、傅里叶逆变换、乘上逆汉宁窗,最后截取原始长度的数据。讨论了畸变波前边缘增添零采样点的个数、波前口径、波前抽样间距与均方根误差之间的相互关系。计算证明,对于口径为300 mm×300 mm、抽样间隔为0.5 mm的随机波前,当取截止频率为33 mm-1、初始波前两边分别添14 个点即波前尺寸扩大7mm长时,其均方根误差最小,此时该值为0.008λ,恢复的波前最理想,计算所得的位相均方根梯度也最合理。

加速退化试验下金属化膜脉冲电容器可靠性评估

分析了金属化膜脉冲电容器的失效机理。根据金属化膜脉冲电容器加速退化数据,研究了其可靠性评价问题。基于疲劳失效的Birnbaum-Saunders模型,建立电容器失效分布函数。根据试验数据可求得该型电容器可靠性模型中参数估计值,并将该值代入失效分布函数即可确定电容器的失效模型,求得该型电容器充放电20 000次的可靠度为0.972 4。使用这种分析方式对金属化膜脉冲电容器进行可靠性分析将更能节省试验时间和费用。

高功率激光装置大口径光学元件侧面清洗实验

针对高功率激光装置内部最易产生受激布里渊散射(SBS)效应的大口径取样光栅(BSG)元件,测试了经过化学刻蚀、紫外激光清洗作用处理后,大口径光学元件BSG侧面在355nm激光辐照下的损伤阈值、损伤形态以及产生的石英颗粒气溶胶对环境污染程度的分析。结果表明:经过化学刻蚀,BSG侧面的损伤阈值提高78%,基本与通光面的损伤阈值相当,而经过紫外激光处理后的损伤阈值提升不高,仅为通光面损伤阈值的56%。侧面对比分析了相同激光能量辐照下样片侧面产生的气溶胶污染状况,结果表明紫外激光处理同样可以提高光学元件侧面产生污染物的阈值,且对光学元件性能没有影响。通过微观形貌和对通光口径影响分析表明,紫外激光清洗处理比化学刻蚀具有更好的安全性和适用性。

热容模式下片状激光介质瞬态温度及热应力分析

为了研究激光介质热畸变对固体热容激光器的影响,数值计算了高功率激光二极管阵列抽运片状激光介质的瞬态温度场和热应力分布。结果表明,在相同的抽运功率密度下,激光介质中的温度分布和热应力分布不仅与激光介质几何构型及抽运光空间分布有关,还与抽运光斑在介质表面的填充因子密切相关。当抽运光斑未充满激光介质时,介质的表面靠近边缘处会出现大的拉应力集中,并且介质表面的最大轴向位移和最大拉应力随光斑填充因子增大而增大;而当抽运光充满介质时,表面是压应力,较小的拉应力存在于介质内部。

熔石英表面损伤修复点的损伤概率

针对3个光斑尺寸的CO2激光辐照尺寸小于400μm损伤点后得到的修复点,从4个方面对损伤修复点经355nm激光辐照后的损伤概率分别进行研究。结果表明,根据修复光斑尺寸或损伤点尺寸分别讨论修复点的损伤概率,更能反映修复点的抗激光损伤能力。通过分别讨论可以看出,采用小光斑CO2激光辐照损伤点或者修复尺寸小于200μm的损伤点,修复成功率超过90%。同时,可以通过损伤修复点的激光损伤阈值都服从正态分布的规律来预测修复点的损伤概率。

退火参数对熔石英透射波前和损伤阈值的影响

采用高温退火技术去除熔石英元件表面由于CO2激光修复带来的残余应力,研究了退火环境对元件的表面污染,分析了不同退火温度(600～900℃)和保温时间(3～10h)对于元件残余应力、透射波前、表面粗糙度和激光损伤阈值的影响。结果表明:在800℃以下,高温退火10h可有效去除CO2激光修复带来的残余应力,对元件的透射波前和表面粗糙度无明显影响;石英保护盒能有效减少退火环境对元件表面产生的污染,但仍有X射线光电子能谱检测不到的表面污染物存在;在退火后采用质量分数为1%的HF刻蚀15min,激光损伤阈值可恢复,同时元件透射波前和表面粗糙度并无明显的增加。

高平均功率电光开关晶体热畸变分析

深入分析了方板构型的电光开关晶体在高功率载荷条件下的热畸变行为,讨论了光强分布对热效应的影响。以KDP晶体为例,分别计算了激光束光强为高斯分布和均匀分布时晶体的温升、相应的热应力分布、波前畸变以及热退偏。结果表明,光强的分布形式对波前畸变和热退偏的影响是不同的。相对于光强均匀分布的激光束,高斯光束减缓了光斑边沿处的温度梯度,产生的热应力较小,因此可以减弱热退偏效应;另一方面,在光束口径范围内,高斯光束产生了附加的温度分布非均匀性,因而波前畸变会大一些。

熔石英表面铜颗粒污染激光诱导损伤

利用SAGA-S激光器输出的355 nm波长激光,研究了熔石英表面铜颗粒污染的激光损伤规律。采用磁控溅射的方式在洁净熔石英表面制备不同尺寸的颗粒状污染物,用1-on-1,10-on-1,20-on-1的方式测试经污染后的熔石英基底的损伤阈值,并采用光学显微镜观察损伤形貌、CCD在线测量损伤斑尺寸。结果表明:污染后的熔石英基底的损伤主要发生在后表面,而且以热烧蚀和热应力为主,基底的损伤阈值与熔石英前表面污染颗粒尺寸呈负指数关系,随后表面污染物颗粒尺寸的增大呈略微下降。前表面颗粒污染物诱导损伤斑尺寸为颗粒污染物尺寸的4倍,后表面颗粒污染物引起的损伤斑尺寸约为颗粒污染物尺寸的2倍。并绘出损伤斑尺寸与颗粒尺寸、辐照方式之间的关系。