浅谈AGV转运系统在高功率固体激光装置中的应用

AGV(Automatic Guided Vehicle)转运系统是移动式机器人的一个重要分支,具有高自动化程度、应用灵活、安全可靠、无人操作、施工简单及维护方便等诸多优点,被广泛应用于汽车制造业、烟草行业、工程机械行业、机场等物资运输场所。该文主要从设计要求、基本结构以及关键技术等方面对应用于某高功率固体激光装置中的AGV转运系统进行介绍,为后续相关领域的研究提供了参考。

高功率固体激光装置空间滤波器小孔对输出光束质量的影响

为了提高高功率固体激光装置的性能价格比,尽可能地让它在高通量下运行,这就有可能由于非线性自聚焦的原因造成光束质量变差甚至导致光学元件的损伤.改善的方法之一就是利用空间滤波器小孔将非线性增长很快的部分滤掉.考虑实际光路中存在的情况,理论分析了光束纹波的非线性自聚焦效应,结合空间滤波器小孔滤波分析了振幅纹波和位相纹波对光束质量的影响.对不同空间滤波器小孔的大小,利用光束传输程序模拟了这个装置基频光一系列输出光束的光束质量,即光束的近场和远场,并对模拟的结果处理分析.用近场分布的对比度、调制度、PSD分布和远场的焦斑分布对结果进行描述,得到了高功率固体激光器空间滤波器小孔对输出光束质量影响的情况,最终设计了输出空间滤波器小孔的大小.

高功率固体激光装置聚焦终端的90°拼接离轴抛物面镜设计

离轴抛物面镜广泛应用于高能短脉冲激光装置的无像差聚焦打靶,随着对焦斑能量的需求越来越高,大多采用多路激光聚焦打靶,对聚焦元件提出了新的要求。大口径拼接抛物面镜可确保光学元件面型精度优于λ/4,且具有较好的可扩展性,90°离轴设计能有效增加激光的聚焦效率。基于几何光学和衍射光学,分析了90°拼接离轴抛物面镜作为聚焦终端时,拼接子镜的角度和位置失调对聚焦光斑的影响。结果表明,面外角度倾斜和光轴方向面外位置失调对焦斑斯特列尔比和20μm直径环围功率比的影响远大于面内旋转角和位置失调,在进行拼接设计时无需补偿面内失调量;计算得到角度倾斜与位置失调的精度分别为±0.5μrad和±105.3nm,并采用蒙特卡罗误差分析对拼接后抛面镜的空间聚焦性能进行了预测,在该精度条件下可满足要求。

高功率激光装置实现CBET研究所需的四色光输出

2021年8月美国NIF实现了1.3 MJ聚变放能的里程碑,其中,交叉光束能量转移(CBET)是实现该放能的关键要素之一。利用CBET可补偿黑腔腰部驱动、缓解外环背散压力,从而改善黑腔内的驱动对称性,因此掌握和应用CBET技术具有重要意义。国际上目前仅美国开展了CBET所需的四色激光打靶技术研究,国内尚未开展实验研究。在高功率固体激光装置上实现四色光打靶需要解决四色激光产生、传输、放大、幅频效应抑制和高效三倍频等问题。近期,中物院激光聚变研究中心激光技术研究团队通过重构前端系统架构、抑制多色激光工作下的幅频效应、改进主放宽光谱下的增益模型、对三倍频晶体匹配角进行波长跟随等实现了激光装置四色光输出。形成的四色光打靶能力已成功应用于交叉光束能量转移实验研究。

高功率激光装置中透镜一阶“鬼”点形成规律分析

高功率固体激光装置的透射元件的表面虽镀有减反膜，但这些膜层并不是完美无缺的，每一表面都反射小部分入射光，这些微弱的剩余反射光称为“鬼”光束。即使每个表面的反射率小于0．1％，对单束能量达千焦量级的惯性约束聚变驱动器来说，一阶“鬼”点仍可达到焦耳量级，极易对元器件造成损害。因此对高功率激光系统设计来说，作一阶“鬼”点位置的定量分析是非常必要的。由于在ICF激光驱动器中使用空间滤波器来滤波，所以在系统中引入透镜，这样在进行激光系统的设计时，空间滤波器透镜的光学设计就显得极为重要。另外，在考虑减小像差的同时必须考虑“鬼”点，特别是一阶“鬼”点的分布问题。

用于ICF的高功率激光放大器系统的可靠性

自激光惯性约束聚变（ICF）概念提出以来，世界各国相继开展高功率固体激光技术的研究。高功率固体激光装置是实验室中能够创造高温和高压物态条件的最佳技术途径之一。美国国家点火装置（NIF）目标是提供一个有能力完成聚变点火的地面实验装置，同时完成武器效果模拟，以及促进惯性聚变能和高能密度物理的发展。

大型激光装置光学元件的稳定性设计

大型高功率固体激光装置通常要求总的打靶精度为几十微米,这对结构的稳定性设计提出了很高的要求。本文以一大型激光装置为背景,以关键光机系统为例进行稳定性设计。通过采用钢筋混凝土建筑结构、一体化结构和桁架结构、隔离振动源增加结构刚度等方式减小光机结构对环境振动的响应,提高结构的稳定性。然后,应用有限元理论对关键光学元件及其支撑结构的稳定性进行分析,以验证光机结构设计的合理性。分析结果显示,该系统中腔镜的最大转角为0.14μrad,注入系统角漂元件的最大转角为0.423μrad,光束切换模块反射镜的最大转角为0.394μrad。计算结果表明:设计的结构合理可行,关键光学元件均满足稳定性设计指标的要求,且裕度系数>1.5。

神光-Ⅲ主机装置高速时序控制研究

神光-Ⅲ主机装置多束光脉冲之间的同步时序控制是通过三台任意波形发生器来实现的。提出由同步系统提供外时钟、外触发信号来实现三台任意波形发生器同步工作,并通过闭环监控手段来解决任意波形发生器开关机、重新加载时间波形后的相位跳变问题。实验验证证明采用该技术方案能够实现三台任意波形发生器的同步工作,保证了神光-Ⅲ主机装置高速时序的低抖动控制。

基于鬼像和像差分析的高功率激光装置透镜设计

为了设计能够满足高功率固体激光装置需求的空间滤波器透镜,采用矩阵光学方法,分析光束经过单透镜传输时剩余反射形成各阶鬼像的过程,得到鬼像位置与透镜曲率半径的关系式。该关系式表明,透镜的曲率半径设计可以控制鬼像所在的区域。根据高功率激光装置光路排布的特点简化鬼像分析,利用自行开发的鬼像追迹软件分析了主放大级鬼像分布特点。通过改变透镜的曲率半径和倾斜透镜这两种方式,基于鬼像规避和像差最小化两种原则,最终确定主放大级透镜曲率半径的最优选择为1∶3弯月型,凸面朝向光学元件集中的方向。该方法可普遍应用于指导高通量复杂光学系统的透镜设计。

大科学装置控制系统现状和对策

科学装置是指对当今最新科学研究有重大影响的装置,具有非常巨大的规模、投入、周期和风险的巨型科学装置。在这样的巨型装置下,其需控制监测的设备元器件众多、过程控制非常复杂,非人工可行,控制系统成为这些科学装置的神经网络和中枢,其控制的可靠性和准确性直接决定其装置运行的成败,对科学装置的实验产生重要影响。现将国内外几个著名的大科学装置的控制系统现状做一研究和阐述,重点分析了NIF装置控制系统框架和结构,简要分析了EPICS和TANGO控制架构,论述了我国目前最大的高功率固体激光装置控制系统的主要结构和原理。在此基础上,对大科学装置控制系统的应用发展趋势进行分析讨论,这些探讨分析及结论对即将开展的我国大功率激光装置建设和诸如此类装置控制系统的总体设计具有很重要的参考价值和意义。

大口径强激光光学元件超精密制造技术研究进展

惯性约束聚变高功率固体激光装置研制对大口径光学元件提出了全频段精度控制指标要求,以及高效率、批量化制造需求。本文围绕“超精密、确定性”强激光光学元件全流程制造方法,总结了近几年大口径强激光光学元件超精密制造技术取得的重要进展,重点介绍了单点金刚石超精密切削技术、非球面超精密数控磨削技术、确定性抛光技术等一系列关键技术,以及相关工艺及装备在强激光光学元件批量制造流程线中的应用情况。

强激光束在柱面镜空间滤波器中的传输特性

为了解决空间滤波器滤波针孔堵孔问题,提出了一种新型柱面镜空间滤波器,新型柱面镜空间滤波器由柱面镜和狭缝构成。利用线性传输理论,对高功率激光束在新型柱面镜空间滤波器中的传输特性进行了数值模拟。结果表明:新型柱面镜空间滤波器的焦斑面积比传统滤波器大,而焦斑功率密度较小;新型柱面镜空间滤波器的滤波效果与传统滤波器相同,近场均匀性也相同。因此新型柱面镜空间滤波器能够抑制空间滤波器堵孔效应,可以缩短空间滤波器系统透镜焦距,从而提高功率装置的整体性价比。由此,采用新型柱面镜空间滤波器替换传统球面镜空间滤波器具有可行性。

高损伤阈值三倍频化学膜的研制

在大型高功率固体激光装置中三倍频激光通量的大小是衡量装置输出能力的主要标志，神光Ⅲ原型装置八束出光验证了我所大型激光装置的建造能力，但是要实现八束三倍频高通量（万焦）运行，三倍频化学膜元件的激光负载能力和性能稳定性不能完全满足装置高通量运行要求，为此实验室进行了有针对性的攻关工作，在膜层综合性能的提高上有了较大的突破。

光学元件激光处理技术

随着大型高功率固体激光装置的换代升级，装置中的各类光学元件正面临着日益增高的高通量激光负载的考验，其中的瓶颈光学元件已成为限制激光装置最大能量输出的主要障碍。

本期导读

方法与技术1.支撑材料对KDP晶体装配附加面形畸变的影响关键词:KDP晶体;支撑材料;面形畸变;有限元仿真P1~2,8高功率固体激光装置中的大口径KDP晶体作为频率转换单元的关键核心组件之一,为了实现410 mm×410 mm的KDP晶体装配附加面形畸变得到有效控制,《支撑材料对KDP晶体装配附加面形畸变的影响》一文基于工程上采用的四点支撑工艺结构,建立带有制造误差的四点支撑结构对KDP晶体装配附加面形畸变仿真分析模型,分析研究硅橡胶、聚四氟乙烯、铝合金、铜合金、结构钢等五种典型洁净支撑材料在30μm、50μm制造误差时对KDP晶体的装配面形畸变的影响规律。获得5种支撑材料对KDP晶体装配附加面形畸变分布与PV值的影响规律后,开展同一批次加工的硅橡胶、聚四氟乙烯、铝合金、铜合金、结构钢等支撑材料对KDP晶体的装配附加面形畸变的影响实验,获得KDP晶体装配支撑材料,以低弹性模量的硅橡胶为最佳,能够实现KDP晶体的总面形PV值为6.51μm。

空间滤波器阵列结构优化设计

给出了新型大型激光装置阵列化空间滤波器结构优化设计。对大口径阵列化光束超长程传输、光路控制、光束质量控制,以及支撑稳定性、震动隔离、离轴调节等关键技术进行了分析研究,对物理方案和参数进行分解。运用Pro/E软件建立阵列化空间滤波器三维实体模型,给出了阵列化空间滤波器的总体结构解决方案。对关键部件和技术指标进行了详细分析,采取了新颖的结构和相应的技术措施;运用ANSYS分析软件对结构刚性、强度、振型等指标进行分析,通过有限元仿真与CAD环境的双向嵌入优化结构;为给装置结构的适应性找到可靠的评估依据,对影响稳定性较大的器件和单元进行了微振动测试和分析。理论分析和测试结果表明,该方案达到了优化设计,是可行的。

大口径光学元件热稳定性初步分析

通过分析影响高功率固体激光装置中大口径光学元件稳定性的热激励源及其作用过程,指出日照瞬态温度、室内HAVC(A ir Cond itioning)系统以及局域瞬态热源是影响光学元件稳定性的主要因素;给出了大口径光学元件热影响的数学描述,并应用分析软件进行了初步计算.分析结果表明,热激励对光学镜片的影响不是靠简单的热载荷的单一作用过程,而是通过流动和传热的相互耦合,以及中间过程的转换,最终对光学镜片产生作用.因此,控制室内暖通空调系统的波动范围、减小镜箱内部温度变化、选用受热变形均匀和抗温度变形的镜片材料、减小温度引起的镜架热膨胀等是减小热激励影响的有效措施.

石英薄板的数控加工技术

在高功率固体激光装置要求的所有平面透射光学元件中 ,熔石英材料的屏蔽片是光学冷加工难度最高的元件之一 ,加工要求为单次透射波前畸变为λ/ 6(λ =632 8nm )。其外形尺寸径厚比大于 30 :1,远远超出普通光学元件径厚比小于 10 :1的要求。由于径厚比大 ,所以光学元件在加工和测量的过程中很容易受到重力、装夹力等的影响而变形 ,影响加工和检测的精度。介绍了采用新兴的数控加工技术有效的避免了加工过程中各种装夹力、重力对面型的影响 ;通过优化参数 ,加工效率也得到了有效的提高。

神光-Ⅲ原型装置预放钕玻璃高增益自激振荡的分析与抑制

在高功率激光装置的预放系统中,高增益放大单元提供超过106的增益倍数,极易形成自激振荡,降低光束放大倍数、破坏光学元件。基于高功率固体激光系统自激起振的主要判据,通过分析钕玻璃高增益系统损耗与增益的大小,研究了神光-Ⅲ原型装置高增益放大单元的自激振荡问题。分析了系统可能存在的自激振荡腔,指出系统可能存在3个起振的振荡腔。通过采取钕玻璃端面引入倾角、适当的光路调节、加隔离和电光开关等方法,在一定程度上抑制了自激振荡,进行了相应的实验验证,实验结果表明通过上述措施基本消除了自激光问题。

大口径反射镜低应力夹持技术

高功率固体激光装置对大口径反射镜附加波前畸变和姿态稳定提出了苛刻的要求,在确保姿态稳定性的同时,要求低应力夹持使附加波前畸变峰谷值(PV值)<λ/3,波长λ=633 nm。提出了一种正面三点支撑结合侧面八点限位的大口径反射镜夹持技术,对该夹持结构下引起的附加波前畸变进行了仿真和实验研究,并对反射镜姿态稳定性进行了不同工况下的实验模拟。结果表明,该夹持方式引入的附加波前畸变PV值约为23.6 nm,振动、晃动、翻转不同工况下反射镜指向变化PV值小于50μrad,附加波前畸变和姿态稳定性均满足高功率激光装置的要求。