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。

利用CAXA电子图板辅助设计光学精密机械零件

介绍了使用VC++6对CAXA电子图板进行二次开发,利用CAXA电子图板辅助设计光学精密机械零件的方法。

高功率激光系统中B积分的研究

通过对非线性薛定谔方程的求解,数值模拟了高功率激光系统中钕玻璃的B积分传输规律,并理论分析了B积分对光脉冲的波形和频谱的影响,详细介绍了几种消除B积分影响的方法。这对高功率激光系统中光放大有一定指导意义。

类镍-银X射线激光及其应用实验研究

在神光 II激光装置上进行了类镍 -银 X射线激光及其作为探针测量等离子体电子密度的实验研究 ,获得了类镍 -银 X射线激光饱和输出 。

高能飞秒激光系统中空间滤波器的研究和设计

由于透镜传输时间延迟效应(PTD),飞秒激光脉冲经过空间滤波器产生脉冲波前变形。讨论了用双胶合透镜或双分离透镜代替空间滤波器中的单透镜,以消除或减小PTD效应,设计了适用于飞秒激光装置的空间滤波器。

高功率激光终端KDP晶体非共线高效三倍频及远场色分离方案数值模拟分析

为满足高功率激光装置对终端光学系统的改进要求,控制3ω光路透射元件厚度以降低激光损伤风险,避免3ω非对称聚焦与色分离元件对靶场调靶产生不利影响,本文利用非共线相位匹配原理讨论了KDP晶体Ⅰ类和Ⅱ类两种和频产生351 nm(3ω)激光及其远场色分离过程.模拟结果表明,室温20?C环境中除目前常用的共线和频外,1053 nm(ω)与526.5 nm(2ω)激光可选择Ⅰ类或Ⅱ类两种非共线和频方式实现高效3ω激光输出并在激光远场实现色分离,且具有足够的高效转换失谐角容宽.计算表明,与Ⅰ类和频类似,Ⅱ类和频也存在一个非临界相位匹配过程,其匹配方向约为θ(3ω)=86.53?.可通过增加晶体厚度克服其有效非线性系数较低的缺点,实现3ω高效输出,失谐角容宽可达±20 mrad.为满足靶场需要,解决非共线角容宽苛刻带来的调节不便,并进一步使光路紧凑,将楔角为12?的熔石英楔板置于倍频晶体之后,ω与2ω激光在熔石英楔板后表面可产生约3.5 mrad分离角.经非共线和频,使用薄透镜即可实现聚焦及色分离.该方案完全满足终端光学系统的改进要求,可作为可靠的备选方案之一.

高功率激光放大器中小尺度调制传输方程及其精确解

在综合考虑衍射、放大、自聚焦三种过程同时作用的情况下，推导出了高功率激光放大器中激光束的传输方程和小尺度自聚焦方程。在小信号增益情形下，得到了小尺度自聚焦方程的精确解析解。

激光系统中高稳定性支撑镜架的结构设计研究

激光系统要求光束经长光程传输后具有优异的指向稳定性,而光束指向稳定性直接由支撑光学件的支撑镜架结构稳定性决定。为了实现光束的指向稳定性和准直性,常常要求光学镜架既具有优异的结构稳定性又具有良好的可调节性。可调节性由于引入了间隙配合,将引入不稳定性。针对支撑镜架中螺纹微调结构由于存在润滑脂而引入的不稳定性,提出了一种结构改进设计。在微调结构的螺母内螺纹面加工轴向槽,结合该结构进一步提出了一种热处理工艺,可以极大地减小润滑脂所引入的不稳定性。实验测试了两种结构的螺纹轴向间隙变化情况。进一步,对安装有槽结构的支撑镜架在热处理前后分别与无槽结构的支撑镜架进行稳定性对比实验,结果表明经热处理后的有槽微调结构可以极大地提升支撑镜架结构的稳定性。

工程陶瓷表面抗激光损伤能力研究

实验研究了纳秒激光辐照下不同材料的工程陶瓷表面的抗激光损伤能力,并与不锈钢、铝合金等金属材料进行了对比.结果表明,不同材料的工程陶瓷表面抗激光损伤特性不同;氧化铝陶瓷的损伤阈值最高,氮化硅陶瓷的损伤阈值较低.与金属材料相比较,工程陶瓷表面损伤阈值比不锈钢和铝合金高.由于材料的熔点和热传导率等热力学特性不同,不同的陶瓷材料具有不同的损伤阈值和损伤形貌.理论分析了不同材料抗激光损伤阈值的差异;陶瓷材料的吸收系数远远小于金属材料,吸收系数通过影响能量沉积区域和有效热扩散速率影响材料温度的演化过程,最终影响着材料的激光损伤阈值和损伤特性.实验结果为高功率激光装置中对抗激光损伤能力要求较高的机械支撑材料的选择提供了指导.

激光功率密度对Al膜靶后表面快电子发射的影响

报道了在20 TW皮秒激光器上完成的p偏振激光与等离子体相互作用过程中产生的快电子的角分布和能谱测量结果。实验得到:当激光功率密度小于1017W/cm2时,电子发射没有明显定向性,在激光入射面内多峰发射;当激光功率密度大于1017W/cm2,小于1018W/cm2时,电子主要沿靶面法线方向发射;当激光功率密度达到相对论强度时,电子主要沿激光传播方向发射;激光功率密度未达到相对论强度时,靶后表面法线方向快电子能谱拟合平均温度符合共振吸收温度定标率;激光功率密度达相对论强度以上时,靶后表面法线方向快电子能谱拟合平均温度高于已有的温度定标率。

磷酸盐激光玻璃聚(CH_3)_2SiO/SiO_2防潮膜改性研究

采用溶胶-凝胶方法制备的(CH3)2Si(OC2H5)2预聚体涂膜液中,掺入碱催化的SiO2悬胶体涂膜液,采用旋涂法在掺钕磷酸盐激光玻璃棒端面涂制了改性的防潮膜。当涂膜液中(CH3)2Si(OC2H5)2和SiO2物质的量之比为1∶1时,热处理后的膜层耐摩擦性能明显改善;表面粗糙度的均方根值为1.245 nm;膜层激光破坏阈值大于15 J/cm2(1 053 nm,1 ns);在80℃和95%RH的封闭环境中静置336 h,膜层的透过率、接触角基本不变。结果证明膜层具有稳定的疏水结构和很好的防潮性能,膜层强度增加,耐磨擦能力提高,膜层使用期延长。

腐蚀石英光栅为分光元件的激光照明系统研究

利用腐蚀法制作的石英光栅作为分光元件,将其应用拓展到激光景观工程领域中,产生了全新的激光景观效果.给出了一种适用于室外复杂环境用于激光景观照明系统中的光栅分光原理、制作工艺过程等,发展了采用光栅分光元件产生多种不同激光景观照明效果的控制系统,并与利用高速扫描振镜实现的激光照明系统的景观效果进行了比较.

激光等离子体3ω_0/2谐波发射与动态自聚焦过程的关联性研究

在激光直接驱动核聚变研究领域,近年来人们探讨较多的话题之一是靶面均匀照明的重要性。目前应用三种典型的均匀照明方法:非相干法(ISI)、无规位相法(RPP)和蝇眼透镜列阵法。在实验中几乎都可减少引发激光自聚细丝的机会,从而取得了明显抑制多种参量不稳定性过程,提高其宏观阈值的好结果。然而,激光自聚焦过程以何种方式与冕区参量不稳定过程发生关联,并在何种程度上影响这些相互作用过程?这是人们迄今为止尚未从实验上作深入、细致地探索和研究的问题。

2ns大口径高功率激光对光学玻璃材料破坏研究

报道了应用诺曼斯基（Ｎｏｍａｒｓｋｉ）偏振光干涉仪测量Ｋ８玻璃和掺钕硅酸盐玻璃材料在高功率大口径激光照射后破坏阈值，并分析了破坏机理。发现在纳秒脉冲激光作用下。

4程放大光路自动准直系统研究

激光束光路自动准直系统用于神光 Ⅲ原型装置光束精密准直。针对神光 Ⅲ原型的总体要求和主光路,结合光路自动准直的关键技术,充分考虑了其4程放大主空间滤波器的4个小孔空间分布和光学位置的特点,利用小孔像传递的原理,设计出一套优化、合理的4程放大的光路准直总体方案,并且在多程放大实验平台上得到了充分的验证和考核。

用于光纤光栅制作的监控光源掺Yb^(3+)超荧光光源的研究

根据石英中Yb3+ 发射光谱在 10 30nm发射截面比 10 5 3nm附近大得多而导致在 10 30nm附近出现荧光峰值的特点 ,采用抑制 10 30nm附近荧光峰值、提高 10 5 3nm附近荧光输出的方法 ,在装置中使用反射圈对超荧光进行了研究 ,在 82mW泵浦功率下得到了 19mW的超荧光 ,其中 10 5 3nm附近荧光输出达到 - 31.7dBm .用这种方法研制的超荧光能监控中心波长从 10 13nm到 10 93nm范围内、反射率从 30dB到 60dB所有光纤光栅的制作 .

钕玻璃、Nd:YAG和Nd:GGG热容激光特性比较

考虑固体热容激光器对工作介质的要求,对比分析了掺钕的玻璃、YAG和GGG的多种材料性能。并对三者在激光工作周期内的瞬态温度场及热应力进行了数值模拟。结果表明:在给定的边界及工作条件下,当钕玻璃激光器以热容方式工作,时间为5 s时,介质最高升温超过400 K,最大热致应力为25 MPa,接近其断裂极限的50%。在此条件下进行冷却,当水温为283 K时,需经过约120 s才基本恢复到初始工作状态。而Nd:YAG和Nd:GGG两种介质在相同输入工作条件下,工作时间可达10 s,且温度分布相对平坦,温差和热应力较小,经水冷约30 s可恢复到初始状态。但模拟计算中,发现Nd:YAG在冷却阶段的最大应力达77 MPa,已超过断裂阈值下限值的50%。兼顾冷却时间、材料所能承受的应力及晶体生长尺寸,以及实现100kW的平均功率输出等因素,Nd:GGG晶体是目前三者中比较适合于作为高平均功率、重复率热容方式工作的激光材料。

高功率激光装置透镜误差对鬼像点位置的敏感性研究

作为对高功率激光装置中鬼像的进一步深入研究,在原有鬼像研究的基础上,考虑单透镜鬼像对实际加工、安装中误差的敏感性。运用矩阵光学的方法,推导得到了鬼像点的近似焦距公式,以及由误差引起的鬼像点位置的增加量的一般性表达式。以神光Ⅱ升级装置中终端光学组件的聚焦透镜参数为例对公式作数值分析,结果表明,透镜曲率半径和中心厚度误差对鬼像的影响较小,部分情况下可以忽略;而中心误差对鬼像的影响很明显,在工程设计中应予以重视。

神光-Ⅱ装置三倍频实验中靶场单元技术的改进

主要介绍为了满足神光 Ⅱ高功率激光装置三倍频光(351nm,3ω)的物理实验要求,靶场三倍频模拟光源和瞄准监视系统两个主要单元技术的改进,即三倍频模拟光源由基频光(1053nm,3ω)通过腔外的KTP+BBO晶体倍频获得,再经八路分光系统和主激光耦合;瞄准监视系统由透射式光学系统改进为反射式光学系统,避免原系统存在较大的色差,提高瞄准精度。

高功率激光放大器动力学的理论研究

详细分析了弛豫作用在高功率激光器中对反转粒子数的影响，在经典速率方程理论的基础上，推导了包含弛豫作用的一般性速率方程，讨论了弛豫效应与放大器总体性能之间的关系，并给出具体放大器的计算实例。