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。

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。

采用混合玻璃配置提高高功率激光装置短脉冲输出能力

在分析不同基质材料激光特性的基础上,结合钕玻璃放大系统的增益特性和△B分布特性,提出了在高功率激光装置的主放大级中,混合使用高增益激光玻璃和低非线性折射率玻璃的新思路,以期在降低非线性折射率的基础上提高激光装置在短脉冲的输出能力.用光传输程序模拟计算所得结果表明该方案能有效提高系统输出能力.在1 ns时,激光系统最大能量输出有30%～40%增长.

用混合玻璃配置提高激光装置输出能力的研究

在分析几种激光基质材料的光谱和激光特性的基础上,提出了在功率受限型激光装置的主放大级中混合使用高增益激光玻璃和低非线性折射率n2玻璃的新思路,以期在降低n2的基础上提高激光装置的系统输出能力。采用光传输程序模拟计算的结果表明,主放大器前级用磷酸盐玻璃,后级换用低n2的氟磷酸盐玻璃的混合配置,可以有效地减小级间B积分条件对系统输出能力的约束,系统的最大能量输出有近百分之十几的增长。

大口径高性能激光钕玻璃研究进展

在概述国内外高功率激光钕玻璃的发展及其主要性质的基础上,重点论述了上海光学精密机械研究所在大口径N31高功率激光钕玻璃半连续熔炼工艺、连续熔炼工艺、包边工艺等方面的研究进展。报道了半连续熔炼工艺制备的不同Nd2O3浓度N31钕玻璃的光吸收损耗和荧光寿命及小信号增益系数,并给出了这些钕玻璃坯片小信号增益系数的波动范围。通过对半连续熔炼和连续熔炼工艺制备的N31激光钕玻璃主要性能的比较,证明连续熔炼工艺制备的N31钕玻璃的主要性能指标与半连续熔炼的性能相当。对于400mm大口径N31钕玻璃坯片的包边进行了模拟考核,结果表明,采用现有包边工艺的钕玻璃可以承受1 000次高功率氙灯辐射。

高功率固体激光装置的发展与工程科学问题

在激光聚变需求牵引下 ,高功率固体激光技术走过了 30多年的发展历程。在世界范围内 ,美、日、法、中、英、俄等国先后建造了 2 0多台大型装置 ,输出能量初期仅百焦耳级 ,后来增大到数万焦耳 ,固体激光技术得到长足发展。近几年来 ,几个大国都在建造巨型激光装置 ,如美国和法国正分别建造国家点火装置NIF和兆焦耳激光器LMJ ,我国在研制神光 -Ⅲ激光装置 ,俄国也在计划建造Iskra - 6激光装置。这一代激光装置的研制不但在科学技术上提出了许多新需求 ,从而把激光科学技术发展推向新的历史阶段 ,而且就其规模、投入、周期和风险而言 ,是前所未有的大光学科学工程。

高功率激光装置光传输管道污染规律及对光学表面损伤性能的影响

研究高功率激光装置光传输管道内部洁净度变化规律,分析其对内部重要光学元件光学性能的影响规律,提出污染控制措施。对光传输管道内部的气溶胶进行采样,并利用空气品质分析仪及扫描电镜对其进行分析,得到光传输管道内部洁净度变化规律和污染源;采用内部放置透射膜元件的方法,研究洁净度等级水平对透射膜的微观结构和透射率的影响,并利用"1-on-1"的测试方式进行透射膜元件的损伤阈值测试。研究结果表明:光传输管道内部的洁净度在激光辐照后迅速上升至万级水平,透射膜元件在此环境下其透过率严重下降,下降幅度为2.5%,且表面微观形貌发生变化。光学透射薄膜表面损伤阈值随表面污染水平呈现线性下降规律,最大下降幅度约为10%。污染监测和成分分析结果表明管道内部灰尘及杂散光或者鬼光束辐照金属产生的等离子体是管道内污染的主要源头,在此基础上提出了正压密封保持的技术手段确保内部光学表面洁净度水平,延长使用寿命。

高功率激光装置中透镜一阶鬼点形成规律分析

为了得到一阶鬼点形成的一般规律,从成像公式出发,利用薄透镜近似,对在高功率激光装置中所使用的各种形状的透镜,各表面剩余反射形成的一阶鬼点位置与其焦距的关系进行了推导,给出了两种入射方式下的关系式,为高功率激光装置中透镜的设计提供了一定的参考。

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。

高功率激光装置中终端光学系统的鬼像分析

基于光传输的多叉树原理,研究了用于惯性约束聚变的高功率激光装置终端光学系统中多级衍射和多次反射杂散光与鬼点分布,根据光线经色分离光栅的传播规律进行了实际鬼光路计算,对聚焦透镜、色分离光栅、防护片组成的光学系统产生的杂散光及会聚鬼点进行了全面分析,得出三次谐波鬼点620个,二次谐波和基频光的会聚鬼点相对较少。分析表明非球面的一次反射鬼点最具威胁,大角度衍射和倾斜平面反射使大量鬼点向系统外部移动,并增大鬼光束的像差,减小其危害。这种方法可以以动态数据结构捕捉全部鬼点,并获得鬼光束结构。

高功率激光装置总体设计的综合评估方法

建立了较完整的高功率激光装置总体设计的评估指标体系,并运用多目标决策理论和加权综合法,初步建立了多级综合评估数学模型,以期对复杂激光装置的总体设计做出较客观的分析评价,选出合理方案;最后利用所建立的数学模型对目前四种高功率激光装置设计结构的技术性和经济性等方面进行了初步综合评估。评估结果表明,多级综合评估模型较合理,对系统总体优化设计有重要的指导作用。

高功率激光装置中靶的定位调试

为了提高高功率激光装置中靶定位调试的效率和精度,提出了一种仿真初调和实验误差分析相结合的靶定位调试方法。该方法采用3-CCD传感器进行定位监测,利用OpenGL成像技术实现CCD仿真图像的采集,并对目标靶、送靶机构等进行虚拟构建。基于仿真实验分析了实际系统中靶定位的误差来源,包括图像检测误差、3-CCD传感器的装校误差及送靶机构的定位误差等。靶定位算法的调试和初步验证在仿真系统中独立进行,实现了理想条件下的零误差定位调整;调试后的算法在实际系统中的靶定位精度小于±5μm,角度误差为±0.015°。由于仿真初调可脱离实验平台进行,故有效地提高了工程效率。提出的调试方法在实际系统中的定位精度满足高功率激光打靶的要求。

高功率激光装置中靶的进化式位姿检测

高功率激光装置中靶的定位精度直接影响激光打靶的成功率。提出一种基于立体建模的进化式微小靶标位姿检测方法,该方法抛弃已有的图像处理算法对单幅图像进行特征提取的过程,通过建立立体模型将多视角图像中的目标相关联,实现相互制约的立体匹配。在模型优化方面,模拟人眼的"扫视"与"注视"功能改进遗传算法,使模型优化能同时兼顾精度与速度,为实现快速、高精度的靶自动检测与定位提供技术基础。实验搭建了3-CCD视觉检测平台并通过视觉反馈控制对标靶进行定位调整,所得定位精度小于5μm,角度误差小于0.05°。实验结果满足激光打靶要求,可应用于实际工程中。

用于高功率激光装置的压电步进驱动器

根据神光Ⅱ高功率激光装置的具体工程需求,设计了一种以层叠式压电陶瓷为驱动元件的新型压电步进驱动器。驱动器利用杠杆机构实现箝位机构和进给机构交替箝位动子,通过对压电陶瓷小步距的位移连续累加的步进方式,实现大行程直线位移;具有控制简单、行程大、分辨力高及断电箝位的特点。样机试验结果表明,驱动器的运动分辨力达到nm级,步距分辨力达到50nm,行程21mm。

高功率激光装置高热流密度散热技术探讨

为满足高功率激光装置散热要求,综述了空气冷却、液体冷却、热管冷却、喷雾冷却、冲击射流冷却、微通道结构等典型高热流密度散热技术的基本原理、基本流程以及国内外的研究现状,并分析了现有冷却技术存在的问题。综合分析发现,喷雾冷却、冲击射流冷却、微通道结构是三种非常有效的冷却方式,为处理高热流密度散热问题提供了重要的发展方向。

高功率激光装置同轴线缆电磁脉冲耦合仿真

高功率激光装置开展实验会产生强烈的电磁脉冲辐射。电缆端口是电磁干扰耦合的重要途径。针对高功率激光装置上广泛使用的同轴线缆开展电磁脉冲耦合问题仿真研究,建立同轴线缆的电磁脉冲耦合仿真模型,研究不同入射方向、不同长度同轴线缆电磁脉冲耦合的感应电压。仿真结果显示,同轴线缆部署方向以及长度对电磁脉冲耦合具有显著的影响。本文对装置靶场线缆选型、线缆铺设以及诊断仪器电磁屏蔽设计有着参考价值。

中国的神光——神光Ⅱ高功率激光实验装置

惯性约束聚变(ICF)研究的长远目标,是实现可控核聚变,为人类提供理想的能源。神光Ⅱ高功率激光装置是由中国科学院、中国工程物理研究院、国家高技术863计划支持的大科学工程项目。该装置是目前我国规模最大、国际上为数不多的高性能高功率固体激光装置,是我国中近期惯性约束聚变重要实验平台。

高功率激光装置集中控制系统关键技术

高功率激光装置集中控制系统在研制过程中遇到了从系统构架设计到软件模拟等不同层面上的技术问题,经过多年的研究和测试,解决了控制系统研制中的关键技术,达到了装置对控制系统的性能指标要求,保证了控制系统的稳定可靠运行,并为未来同类装置的控制系统研制提供了重要的技术保障。