百焦耳级KrF准分子激光装置设计与调试

首先用解析方法分析了提高激光输出能量的途径。其次用分析和反应动力学模拟计算相结合方法给出激光腔设计参数。并给出二极管、电子束传输系统以及变阻抗线预脉冲开关等设计参数。根据这些参数对百焦耳准分子激光器进行了工程设计。在安装调试时,采用单元安装、逐级调试然后总调。在调试中解决了阴极边缘电子发射和沿径向有机玻璃绝缘板表面的沿面滑闪等问题。在Marx电压1.1MV,主膜为50μmTi箔,二极管电压为620kV,电子束流为160kA,束能8kJ条件下,当腔内总气压为0.25MPa、气体混合比为F_2Kr:Ar=0.4:10:89.6,谐振腔全反镜反射率为96％,输出镜透射率为75％时,获得稳定、重复100JKrF激光输出能量。

PEOS功率倍增装置的物理设计与等离子枪实验

对PEOS功率倍增装置进行了物理设计与模拟计算并进行了脉冲等离子体枪实验。给出装置参数的选择方法,包括电路参数与PEOS参数的选择。为得到要求的功率倍增和能量传输效率,分析指出注入等离子体密度n_p与速度v_d的乘积要大而n_p相对要小,v_d要大;而且为断路快、阴极半径r要适当小;模拟计算结果证实了这一分析。对装置关键部件脉冲等离子体枪进行设计、研制和实验,在距枪60cm处测得碳离子速度v_d～5×10^(?)cm/s,离子密度n_p～4×10(?)/cm。

“天光一号”平滑化角多路系统的建立

采用诱导空间非相干(FEISI)的平滑方法结合传递傅里叶面的技术,建立了一套平滑化六束角多路系统。该系统输出总能量158 J,能量稳定度约4%,输出脉冲宽度25 ns,靶面有效焦斑直径400μm,焦斑均匀性1.6%,激光功率密度3.7×1012W/cm2。

用光学记录速度干涉仪测量自由面速度

建立了一套光学记录速度干涉仪系统(ORVIS),用于测量强激光产生的冲击波状态方程中的自由面速度。该光学记录速度干涉仪系统的时间分辨率为179 ps,可以测量自由面速度随时间变化的整个过程。在天光KrF高功率准分子激光装置上进行激光打靶实验,激光波长248.4 nm,脉冲宽度25 ns,最大输出能量158 J。在激光功率密度为6.24×1011W.cm-2的条件下,测得厚20μm铁膜的自由面速度可达3.86 km/s;在激光功率密度为7.28×1011W.cm-2条件下,100μm铝膜(靶前有100μm的CH膜作为烧蚀层)的自由面速度可以达到2.87 km/s。

天光一号MOPA光学角多路系统的研制

光学角多路系统是主振功放 (MOPA)装置的重要组成部分。它不仅连接着主振荡器、预放大器及主放大器三个KrF激光系统 ,而且起着压缩激光脉宽的作用。光学角多路能使主振激光脉冲在能量上得到足够的放大 ,并使泵浦预放、主放激光腔的电子束能量及其脉宽得到充分的利用。介绍了天光一号装置上MOPA光学角多路系统的结构 ,并结合多年来运行的实践 。

强流电子束泵浦百焦耳级氟化氪激光

本文介绍中国原子能科学研究院建造的强流电子束泵浦的百焦耳级氟化氪激光装置的主要性能,重点介绍脉冲功率技术和激光振荡器的一些关键技术。

高功率KrF准分子激光光束平滑技术实验研究

均匀辐照是束靶相互作用实验的首要条件。采用无阶梯诱导空间非相干(EFISI)光束平滑技术对KrF准分子激光光束进行平滑实验研究,初步得到了带宽Δλ为4×10-10m、相干时间tc为0.5ps、不均匀性小于12%的光束空间分布。

Marx发生器建立时间及抖动实验研究

Marx发生器建立时间及抖动与Marx发生器中球隙开关的工作状态有关 ,同时与开关的触发电压幅值及极性有关。通过实验获得了Marx发生器建立时间及抖动最小时最佳工作状态的相关参数。天光一号电子束加速器从同步机发出指令信号至主Marx输出 ,总的延时及抖动为 (16 2 9± 8.4 )ns,满足MOPA系统建立时间抖动小于 2

高功率紫外超短脉冲激光

建立了国内第一台桌面高功率紫外超短脉冲激光系统。采用放电泵浦KrF准分子激光器、离轴放大技术 ,将能量 1mJ的 2 48nm紫外超短脉冲激光放大到 5 0mJ,利用棱镜对进行群速度色散补偿 ,将激光脉冲宽度由 42 0fs压缩到 2 2 0fs,用焦距为 40cm的透镜将放大后的超短脉冲激光聚焦到焦斑 5 μm ,功率密度达到 1 0 17W/cm2 。

介质参数对受激布里渊散射脉宽压缩的影响

利用KrF激光和SF6介质从理论和实验上研究了声子寿命和增益系数等介质参数对SBS脉宽压缩比和能量反射率的影响。理论上采用一维瞬态模型对SBS过程进行数值模拟 ,考虑了瞬态过程、介质吸收以及泵浦耗空的影响 ,计算了SBS介质不同参数对脉冲压缩影响的规律。实验表明 ,在实验参数的变化范围内声子寿命越短、增益系数越小 ,越有利于脉宽压缩。在 0 .6 8MPa下 ,脉宽压缩比达到 8。数值模拟了声子寿命和介质增益系数单独变化时对SBS过程影响的规律 ,发现在声子寿命和增益系数同时变化时 。

紫外超短脉冲激光辐照固体靶产生硬X射线研究

实验研究了紫外高强度超短脉冲激光 (2 4 8nm,4 4 0 fs,5 0 m J)辐照固体靶时产生的硬 X-射线 (大于 30 ke V)能量连续谱 ,靶上强度达到 10 1 7W/ cm2 。 P极化光 4 5°照射 5 mm铜片 ,实验探测到了能量大于 2 0 0 ke V的 X射线信号 ,利用 Maxwellian分布拟合能谱得到了的超热电子温度为 6 7ke V。

电子束泵浦KrF激光器进行超短脉冲的单束放大实验研究

电子束泵浦KrF激光器口径大、泵浦率高 ,可直接用于进行超短脉冲激光的放大。用天光一号电子束泵浦KrF激光器进行超短脉冲激光放大 ,将超短脉冲激光放大到 2～ 3J、1.2 ps,激光功率达到 2TW。

用饱和增益开关法压缩KrF准分子激光脉冲

为提高激光作用于靶上的功率密度和耦合效率，需对目前的激光进行脉宽压缩。本工作采用饱和增益开关法，利用预放大器的放大特性对前端输出的非相干光进行了脉宽压缩，最后将脉宽为23ns的种子光压缩到了12ns，且可根据需要在5～20ns内变化。

有质动力对超短脉冲激光与固体等离子体相互作用的影响

通过测量由等离子体临界面移动造成的反射激光的频移 ,研究了有质动力对超短脉冲激光与固体等离子体相互作用的影响。实验表明 ,当激光强度达到 10 17W/cm2 时 ,有质动力将明显地降低等离子体热膨胀速度 ,造成极陡的密度分布 ,使得等离子体中的主导吸收机制 。

单光子入射方法测量超快硬X射线能谱

利用单光子入射方法测量了高强度超短脉冲激光 (1 3 0fs,1 0 16 W cm2 ,744nm)与固体等离子体相互作用产生的超快 (ps)硬X射线 (>3 0keV)能量连续谱。采用铅屏蔽、激光脉冲和线性门同步符合技术将HPGeX射线谱仪的本底计数率降低到 1 0 -4 炮 ,满足了单光子计数时的低本底要求。用该谱仪实际测量了激光等离子体产生的超快硬X射线能谱 ,所得结果与理论预期符合。

超短脉冲激光辐照固体靶产生超热电子研究

实验研究了超短脉冲激光辐照固体靶产生的超热电子温度 ,所用方法是测量超热电子在固体中韧致辐射产生的硬X射线 ( >30keV)能量连续谱。中等强度 ( 1 0 16W /cm2 )、无预脉冲、红外超短脉冲( 74 4nm ,1 30fs,6mJ)、P极化激光 4 5°照射 5mm铜靶 ,产生了能量为 4 0 0keV的X射线信号 ,利用Maxwellian分布拟合能谱得到的超热电子温度为 85keV ,产生高能电子的主导吸收机制为真空加热。

百焦耳KrF激光用二极管的实验

描述了脉宽１００ｎｓ强流脉冲电子束单向泵浦百焦耳级ＫｒＦ准分子激光用大面积二极管的实验研究。采用１２ｃｍ×７５ｃｍ长方形碳毡阴极，３０μｍ厚铝膜或九根间距１３ｍｍ，直径１．３ｍｍ的金属丝组成的阳极。当阴阳极间距为２０～２２ｍｍ，Ｍａｒｘ发生器电压１．１～１．２ＭＶ时，二极管峰值电压为６２０～６７０ｋＶ，峰值电流１５０～１７０ｋＡ，电子束总能量大于８ＫＪ，使电子束泵浦ＫｒＦ激光器最大输出能量达１０６Ｊ。

烧蚀层厚度对飞片稳定性的影响

实验研究双层飞片中烧蚀层厚度对飞片稳定性的影响。提出了在不出现严重两维效应的前提下烧蚀层厚度应达到或至少接近临界厚度的双层飞片设计原则。理论、数值模拟和初步实验结果取得一致。

电子束泵浦KrF激光MOPA系统的同步控制

介绍研究出的ＭＯＰＡ系统完整的同步控制时间关联逻辑、各单元启动方式及同步系统的硬件。由Ｆｅ－Ｎｂ－Ｃｕ超微晶薄膜材料做成的同轴单匝磁开关及脉冲变压器产生大约１５０ｋＶ、上升时小于２００ｎｓ的高压，触发ＭＯＰＡ系统中的Ｍａｒｘ发生器。当火花隙欠压比为９０％时，Ｍａｒｘ发生器中电压建立的时间抖动分别小于１３ｎｓ和２３ｎｓ。采用激光触发主开关时，泵浦功率系统总体抖动时间小于１０ｎｓ，保证了整个电子束泵浦ＫｒＦ激光ＭＯＰＡ系统的正常运行。

快响应压力传感器的动态标定

用压缩空气驱动的压强脉冲对快响应压力传感器进行动态标定，在激波管中产生压强脉冲，压强为０．０３—０．１１ＭＰａ，脉宽为４ｍｓ。用该方法进行电子束在激光腔中能量沉积的模拟实验，检验了屏蔽措施带来的误差。