Status and development of high-power laser facilities at the NLHPLP

In this paper, we review the status of the multifunctional experimental platform at the National Laboratory of High Power Laser and Physics(NLHPLP). The platform, including the SG-II laser facility, SG-II 9th beam, SG-II upgrade(SG-II UP) facility, and SG-II 5 PW facility, is operational and available for interested scientists studying inertial confinement fusion(ICF) and a broad range of high-energy-density physics. These facilities can provide important experimental capabilities by combining different pulse widths of nanosecond, picosecond, and femtosecond scales. In addition, the SG-II UP facility, consisting of a single petawatt system and an eight-beam nanosecond system, is introduced including several laser technologies that have been developed to ensure the performance of the facility. Recent developments of the SG-II 5 PW facility are also presented.

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。

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。

色分离光栅对光束近场调制影响实验研究

介绍了一种用于惯性约束聚变研究的CSG衍射光栅研制情况,衍射光栅的制作采用离子束刻蚀的方法,光栅刻蚀面积为80mm×80mm。利用星光Ⅱ高功率固体激光装置实验平台对光路中插入衍射光栅后的光束近场调制变化进行了实验测试。实验结果表明,在低功率密度条件下(0.005GW/cm2)光路中插入CSG衍射光栅后,光束近场调制度没有明显的增加,相对于光束本身的调制来说,由光栅带来的调制为细微的小量调制。

70mm×70mm光束取样光栅性能测试研究

介绍了一种用于惯性约束聚变研究的光束取样光栅的研制情况,光栅尺寸为70mm?0mm。利用星光II高功率固体激光装置实验平台对光栅的性能参数进行了实验测试,实验结果表明:光栅的三倍频激光取样效率为5.6?光束取样角为13.2。

高强度三倍频激光束取样测量方案设计

文中介绍了现阶段我国新一代高功率固体激光驱动器靶场系统高强度三倍频激光束能量的取样测量方案设计情况,并对方案设计过程中的光束传输情况进行了计算分析,方案设计结果对大型激光驱动器的建造具有一定的指导意义。

双程放大实验中自激振荡的抑制

通过对国内首次采用离轴式构型的高功率固体激光器双程放大实验中自激振荡的实验 ,分析了自激振荡产生的原因 ,在不需增加隔离器的情况下得到了抑制自激振荡的方法 ,从而为解决多程放大实验中的自激振荡问题提供了具体的指导方法。

固体激光装置能源系统建模及故障分析

能源系统(PCS)为固体激光装置片状放大系统提供匹配的电脉冲泵浦能量,涉及到高压、大电流的充放电过程,在这个过程中可能发生电容器短路、高低压母排短路等灾难性故障。针对上述情况,建立了能源系统及其三种主要故障的数学模型;通过仿真计算分析了氙灯负载非线性特性对系统模型的影响,提出了加入补偿参数的修正模型,并通过实验验证了其有效性;分析了故障情况下关键元件(阻尼电感、调波电感、储能电容)的耐受能力以及保护措施。

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。

ICF驱动器中光束谐波分离技术

在激光惯性约束聚变研究过程中,激光驱动器打靶系统的光束谐波分离技术是驱动器建造研究的重要内容之一。根据高功率固体激光驱动器的发展历程,介绍了几种目前世界上正在应用的光束谐波分离技术,并对这些光束谐波分离方法的优缺点进行了对比分析。结合我国激光驱动器谐波分离技术的发展现状提出了将来的发展方向。这对大型激光驱动器的建造具有一定的指导意义。

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。

80 mm×80 mm衍射光栅零级衍射效率实验研究

研制了一种用于激光惯性约束聚变研究的衍射光栅。光栅的制作采用离子束刻蚀方法,光栅尺寸为80 mm×80 mm,工作周期为90μm,对1.053、0.527、0.351μm 3种波长的激光束进行谐波分离。利用YLF激光器系统对衍射光栅的性能参数进行测试,结果表明,衍射光栅对波长为0.351μm的三倍频激光束零级衍射效率为79.7%。