实现惯性约束聚变驱动器谐波分离的二元光学元件研究

针对惯性约束聚变驱动器的要求 ,基于二元光学深蚀刻的思想 ,设计并制作成功二元光学谐波分离器。测量表明 ,三倍频光的能量利用率达 75.73%。

用于惯性约束聚变驱动器的色分离光栅-光束采样光栅集成元件的制作

针对惯性约束聚变(ICF)驱动系统特别是其终端光学系统对元件数和元件厚度的限制要求,利用衍射光学元件(DOE)易于集成的优点,提出一种在石英基片的两面分别曝光制作色分离光栅(CSG)和光束采样光栅(BSG)的新方法,仅需一个石英片即可同时实现谐波分离和光束采样的功能.分别采用光学制版和电子束直写的方法制作了色分离光栅和光束采样光栅的掩模,并利用离子束刻蚀的方法加工了色分离光栅-光束采样光栅集成元件.结果表明,此集成元件的三倍频光能量利用率、色分离度以及采样效率等参数均与三倍频光通过色分离光栅、光束采样光栅分离元件时得到的结果相吻合,达到了惯性约束聚变激光驱动器终端光学系统的基本技术指标要求.

误差扩散法设计用于惯性约束聚变驱动器的色分离光栅-光束采样光栅集成元件

针对多次曝光法制作集成衍射光学元件时存在的加工制作复杂,会引入较大的对位误差等问题,基于计算全息中的误差扩散编码原理及部分相干光成像理论,提出采用误差扩散编码方法来设计用于制作浮雕结构集成元件的编码掩模的新方法。给出了利用误差扩散法设计的色分离光栅-光束采样光栅(CSG-BSG)集成元件编码掩模,模拟计算了经部分相干成像系统后的空间像光强分布,并与理想的集成元件面形进行了比较。结果表明,校正后均方差为7.5%,体积偏差为10.2%。

惯性约束聚变靶场编组站大口径光学元件的热变形分析

温度梯度是造成惯性约束聚变(ICF)驱动器中大口径光学元件变形的重要因素之一,靶场编组站是大口径光学元件较为集中的区域。利用靶场编组站周围温度的测量数据,得出了靶场编组站镜架的温度分布及变化特点,应用有限元分析软件对靶场编组站镜架24 h分时段的热应力和变形进行了分析计算,结果表明,靶场编组站镜箱内温度变化趋势基本一致,顶部相对底部温度梯度较大,两侧相对中间温度较高。当靶场编组站内温差为0.01℃左右或局部温差为0.1℃左右时,光学元件的镜面转角小于0.24μrad,能够满足稳定性指标要求。

靶丸变形实验的多群扩散整体数值模拟

神光Ⅱ装置上靶丸压缩实验中,黑腔长度的变化会影响靶丸赤道和两极受到的辐照强度,从而导致燃料区被压缩成不同的形状。介绍了辐射多群扩散建模下的辐射流体力学方程组及其数值方法。采用最近研制的二维总体LARED集成程序,对神光Ⅱ不同长度黑腔靶丸压缩变形实验进行了整体数值模拟。结果表明辐射多群扩散建模可以反映腔内辐照均匀性变化情况,靶丸压缩形状与神光Ⅱ实验定性一致。

点火黑腔二维模拟设计

基于二维激光靶耦合流体力学程序,研究设计惯性约束聚变间接驱动点火黑腔的方法.提出先调控X射线驱动温度再调控辐照均匀性的设计顺序.给出总激光功率(特别是主脉冲激光功率)的设计方法.模拟表明,填充气体密度的上限受到槽脉冲P2辐照不均匀性的限制.另外,增加腔长可以抑制靶丸烧蚀层物质的膨胀.最后给出点火黑腔二维设计结果.

点火黑腔等离子体定标关系及350 eV靶黑腔设计

点火黑腔内环激光通道内靠近黑腔壁的区域是内环激光受激拉曼散射(SRS)背向散射产生与发展的主要区域。根据内环通道在该区域满足通道内外压力平衡和能量平衡,提出了间接驱动惯性约束聚变点火黑腔等离子体定标关系。该定标关系在一定程度上统筹考虑靶丸性能、激光器指标和激光等离子体相互作用(LPI)。在此基础上,根据靶丸抑制流体不稳定的需求,提出了一个350eV点火黑腔设计,该设计可以较好地抑制内环LPI的发展,并对激光器设计提出了更高的要求。

基于光路追踪方法的激光交叉束能量转移模型

提出一种基于几何光路追踪方法并可在流体模拟程序中实现在线计算的激光交叉束能量转移(CBET)耦合模型。借助由激光逆轫致吸收公式引入的泵浦激光功率密度在流体网格尺度上的计算公式,该模型可计算探针激光束中每根光线所携带的能量经过与泵浦激光场相互作用带来的损失(或增加),从而实现激光能量在束间的转移。反复迭代的计算方法解决了由于激光束间能量转移与光线历史相关并且束间强耦合带来的方程求解困难。模型很容易推广到多束激光束两两能量交换的情形,也可用于研究逆轫致吸收和激光等离子体相互作用等物理内容。

ICF点火靶内环激光SRS抑制方法理论研究

激光等离子体相互作用(LPI)是制约在美国国家点火装置(NIF)上实现间接驱动惯性约束聚变的关键问题之一。LPI的激发不仅依赖于激光束功率密度与光束品质,还强烈依赖于光束所经过的等离子体状态。模拟显示,内环激光通道上靠近腔壁的He等离子体是受激拉曼散射(SRS)产生的主要区域。通过改变黑腔设计参数(包括构型、尺寸和填充物材料等)可以一定程度优化特定区域的等离子体状态,进而抑制LPI的产生。据此,提出了使用大黑腔高激光能量和改变填充气体组分两条控制SRS增长的技术路线。线性分析表明,两条技术路线效果明显,可分别将SRS峰值增益降低70%与63%。

激光光路追踪Wigner分布函数方法

提出了一种考虑衍射效应的激光几何光路追踪方法。引入由激光标量场定义的Wigner激光能量相空间分布函数,并给出该函数满足的刘维尔运动方程。Wigner分布函数用来描述经过空间任一点沿任一方向传输的激光光线上的能量分配。激光能量沿由波包色散关系定义的光线轨迹保持不变(真空中)或者衰减(等离子体中)。与传统几何光路追踪方法相比,该方法从理论上给出了激光光线初始携带能量份额的计算方法,并且将激光标量场的相位信息自然地包含在Wigner分布函数的定义里。算例表明,该方法与解析模型及广泛使用的菲涅耳衍射积分方法结果一致。

LLSXF胶片对软X射线的宽容度测量

X射线胶片是电磁内爆模拟技术研究(Z-pinch)中辐射图像记录的重要媒质.本文针对Z-pinch辐射特性,采用特殊方法制备了兼具大的高感颗粒、略小的中感颗粒和更小的低感颗粒的氯-溴-碘化银微晶乳剂,并使各不同粒径微晶具有特定的晶型和分布几率,调控涂布工艺参数,得到分辨率较高、宽容度大的软X射线胶片(LLSXF).利用北京同步辐射装置作光源,测试了该胶片的宽容度值,并分析了影响宽容度的因素.

高强度大动态范围高效率三倍频转换的数值模拟

对高强度大动态范围基频光入射以及偏振态发生部分变化的条件下 , / 角度失谐和 / 偏振失配 (双倍频和双混频 )两种高效三倍频方案的转换特性进行了数值模拟 ,结果表明在上述条件下 / 角度失谐方案优于 / 偏振失配方案。

远场几何光路追踪唯象模型

在激光靶耦合流体模拟程序中,相对于传统几何光路追踪方法,Wigner分布函数光路追踪方法可以描述激光衍射效应;但Wigner分布函数方法需要大量的激光光线来刻画激光能量在相空间的分布,降低了流体计算效率。基于Wigner分布函数方法提出了一个唯象模型,可以用较少的光线刻画宏观特征。该模型将Wigner分布函数分解成坐标空间与相空间两部分函数的乘积,并假定相空间分布函数具有特定的形式。该模型适用于空间相干度较低的实际光束,成功描述了OMEGA激光器光束,并且可以描述经过连续相位板匀滑后的实际光束。

软X光能谱仪探测元件晌应曲线标定

报道了软X光能诺仪探别元件的能量响应曲线标定工作．实验利用北京同步辐射装置-3W1B束经及反射率计靶室，在束流40—80mA、贮存环电子能量2.2GeV专用光运行模式下，在150—1500eV能区的四个能段，做了铝阴极X射线二权管、滤光片及擦入射平面反射镜能量响应标定实验，通过实验数据比对及分析，最终给出X射线二极管在不同能量段最大可能的测量误差范围。

用于氙灯阵列的渐开线翼面反射器

用光线追踪法分析反射翼几何形状对氙灯反射器光传输效率的影响。提出一种新的反射器几何构型仿渐开线型 ,其外形与标准渐开线相似 ,但翼展宽度短于标准渐开线反射器。用蒙特卡罗法模拟氙灯光能量在激光泵浦腔内的反射和吸收过程 ,计算结果显示 :在合理选择反射翼的几何修正系数前提下 ,“仿渐开线型”反射器的光传输效率优于“短翼渐开线型”的光传输效率。在腔长、灯内径等设计约束条件受限的条件下 ,采用“仿渐开线”设计方法 。

黑腔芯轴超精密加工

黑腔制备是间接驱动惯性约束聚变靶制备的重要环节。一般的方法要把金电镀在芯轴上，具体制备工艺步骤包括：车削制作芯轴；用电镀法，在芯轴表面镀上适当厚度的金层；镀金芯轴二次装夹，按要求加工金层；溶掉芯轴，得到金空腔。由此可以看出，芯轴加工作为空腔制备工艺过程的首道加工工序，也是最重要的一道工序。芯轴加工质量决定了空腔制备所能达到的质量上限。因此，国内外都把其作为靶制备的重要环节加以研究。

靶丸材料C8H8辐射烧蚀与冲击波特性

辐射烧蚀是间接驱动惯性约束聚变的一个重要物理过程，通过实验研究材料的辐射烧蚀特性，能直接为提高间接驱动内爆流体力学效率，选择靶材料及参数提供依据，也为研究辐射能量的传输及辐射不透明度等基础物理问题提供丰富的物理信息。为了提高内爆靶壳参数设计的可靠性、校验程序，在2006年神光Ⅱ第二轮物理实验中开展了靶丸材料PS（C8H8）的辐射烧蚀与冲击波特性实验研究。

腔靶内激光弹道点观测技术

间接驱动惯性约束聚变的基本前提是如何产生和控制高温黑腔辐射源，即通过高功率激光和高Z元素（Au，Pb）制作的黑腔靶相互作用，建立合适的X光辐射场：辐射温度足够高，并具有特定空间分布和时间波形，然后利用可控高温X光辐射源开展应用研究。为了防止辐射能量透过Au腔壁漏失掉，通常Au壁足够厚，神光Ⅱ装置上典型黑腔Au壁厚度约25μm，以避免烧穿并同时兼顾制靶容易。

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。

“神光Ⅱ”基频光辐射输运实验与分析

在“神光Ⅱ”激光装置上 ,利用首轮基频激光打靶实验 ,采用标准腔靶 ,通过软x射线谱仪测量腔的辐射温度 ,通过XRD测量x射线角分布 ;通过缩短腔靶提高腔的辐射温度 ,研究“神光Ⅱ”装置所能达到最大的辐射温度 ;在标准腔靶中部诊断口接输运管即T形靶 ,研究辐射输运的输运效率 .根据能量守恒定律和热波的自相似解 ,提出辐射输运的简化模型 ,并对实验结果进行了简要分析 .