基于权重分析的高功率激光系统参数优化设计

文章研究了高功率激光远场传输特性,建立了衍射效应、大气湍流效应等多因素综合作用下的高功率激光远场性能通用模型,并结合外场实际应用情况,对该模型提出了一定修正建议。基于上述模型,通过定义评价指标参数权重因子,确定了高功率激光系统核心指标的设计方法与优化原则。仿真结果表明,激光光束质量和发射功率是决定远场激光功率密度水平的关键因素,其中光束质量的影响权重最高约30%~79%,需优先确定,且越接近衍射极限越好。发射口径权重值最低约4%~24%,对远场功率密度的提升效果相对有限,需综合系统其他功能如跟瞄性能进行权衡设计。最后通过实例分析,验证了指标权重因子设计的科学性,以及核心指标体系设计原则的正确性,对于高功率激光系统的工程化设计有重要的参考价值和指导意义。

空间高功率激光二极管泵浦源阵列的相变热控系统

为了实现空间高功率激光二极管泵浦源阵列的快速散热,建立了空间高功率激光二极管泵浦源阵列相变热控系统,对热控系统的热界面材料(TIM)、紫铜热沉、相变材料、相变增强材料、主动加热回路和太空辐射板进行了研究与设计。首先,介绍了激光二极管泵浦源阵列的热特性与热控指标,从而提出热控设计思路,详细设计了热控系统,并在有无泡沫铜填空的条件下制定了两种热控方案。然后,用NX软件分析了两种不同的方案。分析结果显示:不填充泡沫铜方案的整个相变过程在800 s完成,LD上的温度最高达到59.98℃,相变材料上表面温度最高达到47.12℃;填充泡沫铜方案在200 s内完成相变过程,LD最高温度为38.35℃,并且LD在360 s后和相变温度点温度一致。填充泡沫铜方案可以满足10~40℃的温度指标要求。最后,根据填充泡沫铜方案设计加工了激光二极管泵浦源阵列热控系统,通过实验验证,该系统可以满足空间高功率激光二极管泵浦源阵列快速散热要求。

基于粒子群算法确定热源参数的EH40/316L高功率激光焊接温度场模拟

焊接瞬态温度场对焊接残余应力与变形模拟结果具有重要的影响,为提高EH40/316L高功率激光焊接的温度场模拟精度,开发了用于热源模型经验参数优化的智能计算方法.该方法利用MATLAB软件随机生成热源模型的经验参数,调用ANSYS软件执行焊接温度场模拟的APDL命令,并在计算完成后返回结果数据,然后通过借助粒子群算法的群体智能和进化智能的优点,根据预测结果生成新的热源经验参数,进行迭代计算,直至预测结果为最优结果;同时,为提高收敛速度,将有限元几何模型简化为原模型的1/5.基于该方法,开展了10个热源模型经验参数优化案例的计算,并根据优化结果分析了热源模型的参数敏感性.结果表明,该方法实现了温度场的准确预测,其中10个优化案例的平均计算时间为30.3 h,最大、最小和平均预测误差分别为2.84%,2.06%和2.16%;同时,由预测误差和热源经验参数的响应曲面可知,两者之间具有复杂的非线性关系,其数学函数为多谷函数.

高功率激光-MAG复合焊接成形稳定性

采用激光-MAG(Metal active gas arc welding)复合焊接工艺,以焊缝表面成形、焊缝纵截面形貌和熔深波动程度为工艺稳定性评价依据,借助高速摄像系统和图像处理方法,对焊接过程中飞溅和等离子体两种关键过程信息进行特征识别和定量化表征,系统地研究激光功率从5 kW提高到30 kW时,焊接过程关键特征信息与焊接过程稳定性之间的关系。结果表明,随着激光功率的增加,焊缝表面成形出现周期性“上凸-下凹”现象,焊缝内部裂纹和熔深变化特征也随之周期性变化;等离子体面积和飞溅面积均随激光功率的提高呈增加趋势,且两者波动程度和熔深波动程度均呈正相关;等离子体面积增加会导致激光传输过程中能量衰减程度的加剧,使焊缝熔深增加趋势逐渐变缓,其波动程度是影响焊接过程稳定性的关键因素之一。

基于量热法的高功率激光功率测试技术

针对高功率激光功率的测试,尤其是高功率激光器烤机时的长时间测量需求,设计了基于水冷却的激光功率测量方法。利用热敏电阻测量冷却水进水口和出水口的温差计算激光功率。利用有限元仿真软件建立了吸收腔热路结构的三维有限元模型,并对不同口径的冷却水路进行模拟仿真。测试结果表明,用该方法测试高功率激光功率,测量相对误差可以保证在1.6%以内。

高功率激光器光束质量测量的衰减缩束仿真研究

光束质量因子M^(2)是表征高功率激光器横模特性的主要参数,针对目前光束质量分析仪只能用于小口径、低功率激光器光束质量评估的问题,开展了高功率激光器光束质量测量的衰减缩束技术原理与仿真研究。建立了衰减缩束组件的仿真模型,利用有限元的方法对光学元件在高功率激光下的热致像差进行研究,得出热致像差的峰谷(PV)值小于82 nm时,对光束质量因子的影响小于5%。当光束通过衰减组件时,如果发生退偏,光束质量因子将偏小。基于泽尼克多项式和光束质量因子计算模型,研究分析了缩束组件波前畸变对测量的影响,并通过Zemax仿真分析看出,在装调时入射光与缩束组件中心光轴夹角视场小于7°时,对光束质量因子测量的影响小于5%。

光压型高功率激光测量装置的测量重复性研究

测量重复性是光压测量装置的最大不确定度分量,直接影响测量结果的准确性。为了在高功率激光测量过程中提高功率测量的准确度,搭建了基于光压的高功率激光测量装置,进行了质量测量重复性实验和激光功率测量重复性实验,对两个实验的结果进行了比较分析。实验结果显示,光压测量装置的测量重复性随被测质量和被测功率的增大而逐渐降低,表明光压方法在测量高功率激光时更具优势。在激光功率测量重复性实验中,由于避免了偏载和气流扰动的影响,因此激光功率测量重复性优于根据等效质量计算的测量重复性。研究结果对后续进一步提高光压方法的测量准确度具有指导意义。

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。

高功率激光装置中子飞行时间谱仪抗辐射本质安全设计

本文阐述了高功率激光装置上中子飞行时间谱仪的抗辐射本质安全设计。高功率激光装置实验测试中会产生强烈的电磁辐射,对各种测量仪器带来严重的干扰甚至损伤。本文针对高功率激光装置电磁辐射环境,对中子飞行时间谱仪进行了抗辐射本质安全设计,通过结构设计、空间排布以及屏蔽材料设计等方面的优化,增强了中子飞行时间谱仪的抗电磁辐射和电离辐射干扰的能力,提升了设备运行的稳定性与可靠性。

高功率激光典型参数的先进测量方法

高功率激光是高技术领域的前沿和热点。近年来,以超高功率、超短脉宽、超窄线宽等为代表的各类激光性能持续稳定提升,模式、光谱、脉宽等多维参数可控输出成为重要特征,常规的激光性能参数测量方法难以满足前沿研究和高端应用领域的需求。梳理近年来高功率激光的功率、模式/光束质量、光谱、时间、相位等重要参数的先进测量方法,介绍技术进步和测量效果,分析拓展应用潜力,展望高功率激光测量方法的未来发展方向。

高功率激光驱动核反应研究进展与展望

近年来,随着高功率激光技术的持续进步,目前在实验室已可获得超过1022W/cm2的激光聚焦强度,且还在不断提升,这为超高强度激光脉冲触发核过程和核应用开辟了可能性。这样的超强脉冲激光与物质发生相互作用时,会出现很多新的物理现象,并且其产生的高温高压高密度的等离子体极端环境以及诱发的核反应次级粒子束等,也为其他基础和应用研究提供了独特的平台。强激光产生的等离子体环境可用来模拟天体核反应的环境,研究电子屏蔽效应等因素带来的低能核反应截面测量中的不确定性因素,这是目前实验室条件下直接研究天体环境中核反应的唯一技术手段。同时,激光驱动等离子体中核反应的研究也与惯性约束聚变中的燃料设计息息相关。与常规环境温度和压力下的物质相比,等离子体环境中的核反应动力学要复杂得多,对于研究天体核反应和惯性约束聚变也至关重要。因此,除加速器和反应堆外,高功率激光器正成为研究核物理的新平台。激光与核物理的结合不仅有利于具有新颖思想和方法的基础科学研究,也有利于广泛的物理应用领域。激光核物理已成为国际上一门新的交叉学科,也是物理学的重要前沿之一。与传统核物理装置相比,超强激光器具有脉冲宽度短、时间分辨率高、通量大等特性,这给核反应研究带来独特机遇的同时,也给核反应产物测量带来了挑战。本文从激光与物质的相互作用开始,介绍了世界上的激光装置,评述了激光驱动核反应的研究意义、研究特点与挑战,总结了激光驱动核反应的实验研究方法以及产物探测与标定技术,同时介绍了最新的研究进展和对未来研究的展望。

水束导引高功率激光的热效应分析

为了探究水束导引高功率激光的热损失问题,调控水导高功率激光中水-光束耦合的热稳定性,保证激光能量有效地传输至工件表面,采用有限元方法建立水-光束耦合的数值模型,利用射线追踪模拟不同入射激光功率、射流流速和直径时的水射流温度分布,并通过实验数据验证模型的有效性,对比了相同功率下连续激光与脉冲激光的温度分布。结果表明,水射流的温度随着水-光束耦合长度增加而升高,当入射激光功率增大、耦合腔压力降低以及射流直径减小时,都会导致射流的温度升高,严重影响射流的稳定性;由于水射流的冷却作用,平均功率300 W的脉冲激光相较于连续激光,温度相差约5℃。此研究结果为控制水导高功率激光中水-光束耦合的热效应、提高激光能量的传输效率提供了一定的参考。

高功率激光器光束质量测量的衰减缩束实验

针对目前光束质量分析仪只能用于小口径、低功率激光器光束质量评估的问题,开展了高功率激光器光束质量测量的衰减缩束技术实验研究,搭建了缩束激光的波像差及光束质量测量装置,开展了缩束组件装调误差对光束质量影响的实验。实验结果表明,随着装调视场角度的增加,1/3倍缩束组件在1.2°视场处M^(2)测量偏差小于5%。搭建了偏振分光装置,研究了衰减组件对光束稳定性的影响。实验结果表明,随机偏振的准单模激光器的稳定性比多模激光更易受到衰减组件退偏的影响。搭建了高反式与楔板式高功率激光光束质量测量装置,对1 kW准单模激光进行光束质量测量。实验结果表明,在高反式测量装置中,待测光束通过高反镜时产生了退偏,从而导致光束质量测量结果偏小,楔板式测量装置的测量结果更能准确反映待测光的光束质量。

高功率激光驱动高压状态方程绝对测量的实验研究

综合了近年来国内外高功率激光驱动高压状态方程参数绝对测量的进展 ,并对各种方法的优缺点进行了分析 .最后根据最近的理论与实验研究指出其中一种方法———三台阶法的关键所在 .

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 )。

用于激光推进的高功率激光器的选择

从激光推进的要求出发,阐述了用于激光推进的高功率激光器的选择原则,即激光器必须满足:(1)高的平均功率和峰值功率;(2)高的单脉冲能量;(3)高的重复频率;(4)优良的大气传输特性。主要分析了目前YAG固体激光器、自由电子激光器和TEA脉冲CO2激光器的特点,通过上述4个方面性能的比较,认为在目前水平下,TEA脉冲CO2激光器是进行激光推进的首选强激光源,其优点表现在:功率可达10kW量级,单脉冲能量可达0.5～1kJ,重复频率为20～40Hz;激光波长处于大气传输窗口,对大气变化不敏感;工作物质快速流动,不存在热透镜效应和破坏阈值;相关光学元件易于制造;光束质量较好;运行成本低。

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。

高功率激光装置中局部波前畸变的非线性传输

根据高功率激光装置中强激光束传输的特点，建立了描述光束通过光学元件时引入的局部波前畸变模型，并利用纹波传输的线性化处理方法，研究了带有局部波前畸变的高强度光束的传输规律。以一个连续的非增益激光介质为例，用该模型进行数值模拟，给出了不同空间尺度的局部波前畸变的频谱分布、不同空间频率的纹波引起的振幅非线性增长曲线、不同B积分的非线性增益随光束传输距离的变化曲线．光束振幅非线性增益达到最大时光束的传输距离和标准传输距离不同时由局部波前畸变引入的振幅分布。研究表明为了防止光学元件损坏，应避免光学元件表面出现半径为0．5～2．0mm的局部瑕疵。

高功率激光对光学介质薄膜破坏机理的研究进展

本文综述了高功率激光对光学介质薄膜破坏的几种机理，着重阐述了激光等离子体及其扩展时产生的冲击波对光学介质薄膜的破坏作用。

高功率激光系统中全息“热像”效应

对高功率激光系统中存在的一种类似于小尺度自聚焦的非线性过程———"热像"效应进行了理论分析和模拟计算。当一束经过遮光物调制的激光光束通过非线性介质后,在随后的光路上将产生一个亮点,即"热像"。"热像"处的光强比背景光强大几倍,因此位于"热像"附近位置的光学元件很可能遭受损伤。从全息成像的角度对"热像"的形成过程进行了分析。结果表明:"热像"的位置处于以非线性介质为中心与遮光物大约对称的地方,"热像"的光强是原始光强的(1+B)2倍。计算机模拟与理论计算结果吻合较好,验证了上述结果。