激光聚变研究中心激光技术研究进展

介绍了中物院激光聚变研究中心在神光-Ⅲ主机装置建设、大口径高通量验证实验平台研制、神光-Ⅲ原型装置运行与性能提升、支撑激光驱动器建设的精密装校与洁净处理技术和精密光学检测技术、星光-Ⅲ激光装置建设、PW量级全光参量啁啾脉冲放大系统技术以及高功率波导激光技术等方面的主要研究进展情况。

神光-Ⅲ主机装置成功实现60TW/180kJ三倍频激光输出

2015年9月15日,由中国工程物理研究院激光聚变研究中心承担研制的神光-Ⅲ主机装置成功完成了48束激光三倍频180kJ/3ns、峰值功率60TW的输出测试实验,标志着神光-Ⅲ主机装置已全面建成并达到设计指标,成为现有输出能力世界排名第二、亚洲排名第一的惯性约束聚变激光驱动器。

高功率激光装置光束精密调控性能研究进展

光束精密调控是惯性约束聚变(ICF)研究对激光驱动器的基本需求,它是一项装置层面的系统工程。主要介绍了中国工程物理研究院激光聚变研究中心近年来在靶面光强控制、脉冲波形控制、光束近场控制以及在新型光束探索方面所取得的重要进展。

高功率固体激光装置负载问题研究进展

高功率固体激光装置的负载问题是制约装置建设与运行的瓶颈问题。在高通量紫外纳秒激光辐照下,熔石英后表面的损伤不断产生和增长,严重限制了装置的负载能力。在提升熔石英抗损伤性能的基础上修复既有损伤,循环使用光学元件,是现阶段提升装置负载能力的主要手段。主要介绍了国内外近年来在熔石英损伤的规律与机制、光学元件循环处理的支撑技术以及提升负载能力的新材料与新技术方面所取得的重要进展。

人类首次实现聚变“点火”,激光聚变取得历史性突破

2022年12月13日,美国能源部(DOE)及其下属的国家核安全管理局(NNSA)宣布,劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)利用其建立的国家“点火”装置(NIF),在人类历史上首次实现了聚变产能大于驱动聚变发生的激光能量这一“点火”里程碑,将为美国核武器物理规律和效应研究、核武器库存管理等提供重要支撑,为未来清洁能源的发展铺平新的道路,并为高能量密度物理研究提供新的手段和平台。本文专访了中国工程物理研究院激光聚变研究中心郑万国研究员,就发布会传递信息、惯性约束聚变(ICF)实现途径及存在难点、激光聚变“点火”历程、未来ICF和惯性聚变能(IFE)发展前景,以及激光晶体在ICF和IFE中重要作用等业界广泛关心的几个问题进行解读,以期为读者提供专业的信息,使大家进一步了解ICF发展趋势和IFE发展前景,并针对相关晶体材料开展基础研究及关键技术攻关,牵引和支撑未来激光聚变驱动装置建设。

专辑出版前言

自1960年第一台红宝石激光器问世以来,激光技术作为20世纪的“四大发明”之一,被世界各国列为非常重要的学科发展方向。强激光技术因其在军事、能源、前沿科学等多种需求的牵引下,更是呈现蓬勃发展的态势。进入21世纪,强激光技术及相关新前沿新方向是国际上现代物理学乃至现代科学中非常重要的前沿学科领域,不仅有重大的科学意义,而且在高技术与交叉学科领域中也有重要的推动作用。

寄生电容对串联谐振电容器充电电源特性的影响

软开关串联谐振电容器拓扑因其在较宽的电压范围内具有平均充电电流恒定和抗短路能力强的特点而用于对高压电容器充电。但开关频率固定的串联谐振充电电源的恒流特性因直流母线电压的波动和高压变压器以及整流单元的分布电容的影响,其充电电流并不是恒流。该文分析了理想和实际的串联谐振充电电源的充电电流特性。提出了采用图表法对串联谐振电源进行参数设计和调试,克服了以往高压脉冲电源设计和调试时的盲目性,具有重要的工程实用价值。

激光聚变主放大器能源系统述评

评述了激光聚变主放大器能源系统的演变过程。在简要评述传统能源系统的基础上,重点指出目前正朝向建立大型的能源组件实现模块化的方向发展,以减少系统元件数目,降低造价。结合NIF和神光Ⅲ原型能源模块的设计思路,述评了减少元件数目、降低造价、建造大型储能模块,以及采用大容量转换开关所带来的技术挑战和解决办法。同时指出开展能源单元技术(包括性能、风险、价格)研究是十分必要的。

强激光能源系统新型放电回路研究

从理论上分析了强激光能源系统新型放电回路能量传输效率和氙灯能量分配均匀性问题 ,给出了预电离回路的实验研究结果 。

神光III强激光能源模块参数设计与保护策略

介绍了神光III预研计划能源模块电路设计方法及参数选择原则 ,详细分析了电源系统可能存在的各种故障情况 ,在此基础上提出了电源系统故障保护的方法和对策 ,这对于电源系统的设计和安全运行具有十分重要的意义。实验结果表明 ,所研制的脉冲电源满足系统要求。

多表面干涉下的光学元件面形检测

为了消除平行平板类光学元件的多表面干涉效应对元件面形测量的影响,提出了基于波长移相调谐技术与傅里叶变换原理的多表面干涉条纹检测技术。首先,根据波长移相原理和被测元件的厚度,按照推算出的被测腔长与元件厚度间的比例关系正确摆放被测元件的测试位置。然后,通过波长移相技术采集一组干涉图。最后,对这组多表面干涉图进行离散傅里叶变换,提取带有被测元件前后表面面形的频率信息以及厚度变化的频率信息,通过重构算法得到准确的面形信息和厚度信息。实验结果表明:与传统的13步移相算法相比,得到的前表面PV值和RMS值分别相差0.003和0.001,而后表面PV值与RMS值分别相差0和0.001。这些结果基本满足平行平板类光学元件面形的高精度测量与洁净测量的要求。

用透射反射扫描法检测光学薄膜的激光损伤

用波长 1 .0 6 μm的激光透射反射自动扫描装置扫描了激光辐照前后薄膜的反射比和透射比。薄膜样品的工作波长为 1 .0 6 μm。将扫描结果与相衬显微镜观察到的形貌相对照。实验结果表明 ,用透射反射扫描法不仅能反映出相衬显微镜所能观察到的损伤 ,而且也能发现某些显微镜所不能发现的损伤。由于透射比和反射比可以反映出薄膜对激光的传输性能 ,因此也能反映出薄膜能否继续工作 ,以此来判定损伤与否。因此用透射反射扫描法可以作为检测损伤的手段 ,由于简单易行 ,可以在线检测。

酸蚀深度对熔石英三倍频激光损伤阈值的影响

采用干涉仪和台阶仪测试蚀刻深度随时间的变化,结合材料去除速率测量,研究了HF酸蚀液对熔石英表面蚀刻的影响。测试了蚀刻后损伤阈值和表面粗糙度的变化。研究表明,熔石英表面重沉积层厚度约16 nm,亚表面缺陷层大于106 nm;重沉积层去除后损伤阈值增大,随亚表面缺陷层暴露其阈值先降低后又增加,最后趋于稳定;然而,随蚀刻时间的增加,其表面粗糙度增大。分析表明,蚀刻到200 nm能有效地提高熔石英的低损伤阈值,有利于降低初始损伤点数量和提高熔石英表面的机械强度。

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。

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。

用激光清洗金膜表面硅油污染物

采用CO2激光对镀金K9玻璃表面的二甲基硅油污染物进行清洗,在激光器单点作用模式下,分别研究了激光功率和作用时间对清洗效果的影响;并研究了连续扫描工作模式下的激光清洗效果。采用光学显微镜和傅里叶变换红外光谱仪表征激光清洗效果,研究结果表明:通过良好的控制激光参数,采用CO2激光清洗二甲基硅油具有明显的效果;此种非接触式清洗方式可确保K9玻璃表面的金膜完好无损。采用有限元分析软件模拟计算了激光功率和作用时间对清洗过程中温度的影响,计算结果与实验结果规律一致。

酸蚀与紫外激光预处理结合提高熔石英损伤阈值

采用HF酸刻蚀和紫外激光预处理相结合的方式提升熔石英元件的负载能力,用质量分数为1%的HF缓冲溶液对熔石英刻蚀1-100 min,综合透过率、粗糙度和损伤阈值测试结果,发现刻蚀时间为10min的熔石英抗损伤能力最佳。采用355 nm紫外激光对HF酸刻蚀10 min的熔石英进行预处理,结果表明：紫外预处理能量密度在熔石英零损伤阈值的60%以下时,激光损伤阈值单调递增;能量到达80%时,阈值反而低于原始样片的损伤阈值。适当地控制酸蚀时间和紫外激光预处理参数能有效提高熔石英的抗损伤能力。

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。