预热效应影响下冲击波速度推算方法

介绍了超高压条件下应用于透明材料中冲击波速度直接测量的成像型速度干涉仪技术。利用成像型速度干涉仪技术研究了间接驱动实验中产生的预热效应对冲击波速度计算的影响。对预热效应出现的时间点进行了分析,发现在辐射温度高于160 eV以后,不能从现有速度干涉仪系统获得的实验结果直接反演出冲击波速度。对实验数据进行了处理,获得了预热出现时间点的实验数据,发现预热效应出现在方波激光脉冲平台期到达时刻,在激光最强处达到最大,而且在激光脉冲平台期结束后,预热效应可以逐渐恢复。实验发现,对辐射温度高于160 eV获得的实验结果,可以从条纹断点直接外推,得到冲击波减速数据。讨论了条纹外推方法处理间接驱动条件下方波打靶时,使用固体无机透明材料作为窗口获得的实验结果。     

超高压下冲击波速度直接测量技术

针对超高压下透明材料的高压离化机理,分析了透明材料中冲击波直接诊断技术的基本方法. 利用Drude-自由电子气模型,分析了不同冲击压力下冲击波阵面反射率的变化. 从理论上比较了不同探针光波长反射率的区别,发现探针光波长为660 nm时比探针光波长为532 nm时获得的冲击波阵面反射率要高. 对探测器"致盲"问题也进行了研究. 通过分析反射信号的时间顺序和强度大小,发现"致盲"效应是由X光对透明窗口离化引起的. 同时,发现方波驱动脉冲平台的前沿到达时刻和X光离化效应出现的时刻相同,冲击波信号到达时刻晚于X光离化时刻. 通过实验结果,得到蓝宝石中冲击波速度为35 km/s时,其波阵面的反射率约为40%. 通过理论分析和实验数据比对的方法,验证了蓝宝石中的减速曲线. 给出了加蓝宝石窗口后的测速公式. 经过和实验对比,确认了测速公式的正确性. 关键词： 冲击波 光学诊断 成像 干涉仪     

辐射驱动下主动式高精度冲击波速度精密诊断技术

激光加载可以产生比气泡加载更高的压力,是高压状态方程研究中一种新的加载方式。在激光加载高压状态方程(EOS)研究中,台阶靶是常用的靶型。针对传统台阶靶存在的预热膨胀问题,提出了使用主动式任意反射面速度干涉仪(VISAR)进行台阶靶预热和冲击波测量的方法。该技术利用条纹图移动量计算厚度增加量,利用冲击波到达自由面产生条纹跳变的时刻来获得精确的冲击波到达时刻。通过修正已测量台阶厚度与膨胀量,可以获得更加精确的台阶厚度值。通过精确的时间间隔可以得到冲击波传输的时间。在匀速传输的条件下可以获得高精度的冲击波传输速度。该方法在辐射驱动超高压条件下具有很好的适用性,可以为状态方程实验提供高精度的冲击波速度数据。     

成像型任意反射面速度干涉仪研制

成像型任意反射面速度干涉仪是激光驱动冲击波研究的重要诊断设备,主要应用于惯性约束聚变脉冲整形实验、高压状态方程实验研究和材料特性研究.基于传统任意反射面速度干涉仪的特点,研制了一台基于神光Ⅲ原型装置的成像型任意反射面速度干涉仪,该系统可用于测量自由面速度及透明介质中的冲击波速度.给出了成像型任意反射面速度干涉仪的详细设计要点.对系统性能进行了分析及测试,结果表明时间分辨优于30 ps,物方空间分辨约为10 μm,测速范围为6～45 km/s.     

基于速度干涉仪的冲击波精密调速实验技术研究

冲击波精密调速技术是惯性约束聚变研究的关键技术之一. 针对冲击波精密调速诊断技术的要求, 以神光III原型上脉宽为3 ns的两台阶整形激光脉冲为源, 用石英晶体做窗口材料, 模拟了双冲击在石英晶体中传输和追赶的过程. 利用两发典型双冲击波调速的实验数据, 验证了神光III原型具有的精密调速能力. 实验结果表明, 在驱动源、 靶和诊断系统参数一致的条件下, 两发实验获得的实验结果中两次冲击出现的时刻, 冲击波速度都很一致. 通过精细分析, 发现在两次冲击交会的时刻, 干涉条纹清晰度和完整性变化最大, 最终数据处理获得的冲击波速度偏差也最大. 同时, 在二次冲击的冲击波速度有较大增加的条件下, 并没有观察到冲击波阵面的反射率的明显增加. 本文的实验结果作为一个数据依据, 为全面开展冲击波调速实验提供了有效的方法.     

神光II装置上速度干涉仪的研制及应用

任意反射面速度干涉仪(VISAR)具有很高的测试精度, 能实现冲击波速度、粒子速度的连续测量, 是目前冲击波传播相关物理实验的主要诊断设备. 神光II高功率激光装置上的速度干涉仪其空间分辨率优于7 μm, 靶面视场约为1 mm, 探针光脉冲宽度约为 60 ns, 能满足各类冲击波相关实验的诊断. 该VISAR系统用偏振分光镜和波片系统组成了能量调节系统, 极大地方便了探针光能量和条纹相机匹配的调节; 利用新颖的探针光引入系统, 极大地提高了探针激光的能量利用率 (相对其他方法, 能量利用率提高了3倍). 该速度干涉仪已成功应用于状态方程实验、等熵压缩实验和冲击波追赶实验. 本文利用激光脉冲整形技术获得了无冲击压缩实验图像, 利用石英作为标准材料获得了聚苯乙烯 (CH)的Hugoniot数据, 利用双脉冲激光获得了石英材料中冲击波追赶 的实验图像并与理论模拟进行了对比, 实验和模拟符合得比较好. 实验结果表明, 神光II装置上的速度干涉仪能满足不同时间尺度(亚ns---几十ns) 冲击波传播相关物理实验的诊断, 为进一步开展CH的高精度Hugoniot参数测量、 高压无冲击压缩实验和冲击波时空整形实验奠定了基础.     

成像型任意反射面速度干涉仪数据处理方法

 采用傅里叶变换方法,列出了对成像型任意反射面速度干涉仪得到的干涉条纹图进行处理的过程。利用文献结果,处理了冲击波整形时产生的有间断干涉条纹图,对处理结果进行了分析。结果表明：条纹图要干净,条纹间距清晰、均匀,应使用１维傅里叶变换的方法处理条纹图,减小滤波的难度。研究了冲击波测试当中条纹丢失的问题,提出了间断条纹图间断起始点相位确定的方法。对透明和不透明靶产生条纹图的不同进行了讨论,得出对透明靶产生的条纹图应采用适当的条纹外延技术进行预处理后再进行常规处理。     

"三明治"靶型在间接驱动冲击波实验中的应用

间接驱动方式具有提供更高冲击波压力的潜力,对冲击波物理研究来说是一种很好的驱动方式.针对间接驱动下X射线离化对透明窗口造成的致盲问题,提出了新的"三明治"靶型结构,以完成间接驱动下冲击波实验.该靶型可以用两种方法避免致盲效应对实验的干扰.一种方法是从时间上避开致盲效应,使致盲效应与冲击波测量区错开,从而获得冲击波数据.另一种方法是从强度上屏蔽X射线,将X射线阻挡在透明材料之前,使其不能产生致盲效应.对单冲击实验而言,用增加烧蚀层厚度的方法,将X射线离化效应与冲击波信号从时间上错开,获得了蓝宝石和石英晶体中冲击波实验的结果.用增加阻挡层的方法,获得了间接驱动条件下石英晶体和聚苯乙烯材料中的冲击波实验结果.提出的"三明治"靶型,为间接驱动条件下状态方程和冲击波调速技术提供了技术支持. 关键词： 冲击波 光学诊断 离化效应 干涉仪     

神光-III激光装置时标激光和任意反射面速度干涉仪探针光源产生技术

在惯性约束聚变研究中, 时标激光是对物理诊断数据进行分析的重要时间标尺, 而任意反射面速度干涉仪(VISAR)光源则是冲击波精密诊断必不可少的探针光源. 通过对物理需求的分析, 提出对时标激光与VISAR光源共用脉冲产生单元, 采用时分复用技术实现二者在同一台幅度调制器上的精密整形, 经1×2分束后再通过声光开关进行选择输出, 从而降低了系统造价, 便于集中控制. 采用了脉冲稳偏、高稳定空间放大、高精度温控谐波转换技术及可快速插拔精密复位的光纤耦合和传能技术, 实现了时标和VISAR光源脉冲的高稳定输出. 研制的时标激光系统可产生与主激光高精度同步的12路二倍频、4路三倍频时标信号, 为神光-III激光装置物理实验提供了重要的时间基准. 产生的VISAR光源脉冲在经过光纤系统和Nd: YAG棒状放大器后, 通过温控LBO晶体倍频, 然后经1 mm芯径的多模传能光纤传输至成像型VISAR系统, 为物理实验提供了单纵模、高亮度、可精密整形的脉冲激光. 系统已用于VISAR诊断物理实验, 获得了完整的冲击加载、减速的图像, 从而为冲击波调速及相关高压物理实验提供了可靠的技术手段.     

神光-Ⅲ激光装置时标激光和任意反射面速度干涉仪探针光源产生技术

在惯性约束聚变研究中,时标激光是对物理诊断数据进行分析的重要时间标尺,而任意反射面速度干涉仪(VISAR)光源则是冲击波精密诊断必不可少的探针光源.通过对物理需求的分析,提出对时标激光与VISAR光源共用脉冲产生单元,采用时分复用技术实现二者在同一台幅度调制器上的精密整形,经1×2分束后再通过声光开关进行选择输出,从而降低了系统造价,便于集中控制.采用了脉冲稳偏、高稳定空间放大、高精度温控谐波转换技术及可快速插拔精密复位的光纤耦合和传能技术,实现了时标和VISAR光源脉冲的高稳定输出.研制的时标激光系统可产生与主激光高精度同步的12路二倍频、4路三倍频时标信号,为神光-III激光装置物理实验提供了重要的时间基准.产生的VISAR光源脉冲在经过光纤系统和Nd:YAG棒状放大器后,通过温控LBO晶体倍频,然后经1 mm芯径的多模传能光纤传输至成像型VISAR系统,为物理实验提供了单纵模、高亮度、可精密整形的脉冲激光.系统已用于VISAR诊断物理实验,获得了完整的冲击加载、减速的图像,从而为冲击波调速及相关高压物理实验提供了可靠的技术手段.     

Ultra-fast diagnosis of shock waves and plasma at front and rear surfaces in the bulk of fused silica induced by an Nd:YAG pulse laser

We investigate the dynamic processes of the Nd:YAG pulse laser ablation of fused silica by ultrafast timeresolved optical diagnosis with a nanosecond time resolution. The evolution process of plasma expansion in air and shock waves propagation in the bulk are both obtained with spatial and temporal resolutions.Laser-induced damage in the bulk of fused silica with filaments and shock waves are observed. Thermoelastic wave,mechanical wave,and shock wave dependence on the laser fluence and intensity of the plasma are analyzed. The shock pressure P and temperature T calculated through the measured shock velocity D and the Hugoniot data of fused silica are measured.     

辐射驱动条件下冲击波速度直接测量技术

 针对超高压下透明材料的高压离化机理,分析了透明材料中冲击波直接诊断技术的基本方法。利用Drude自由电子气模型,分析了不同冲击压力下冲击波阵面反射率的变化。设计了专门的实验,将探测器致盲区与信号区错开,获得了蓝宝石中冲击波阵面反射的信号。结果表明:冲击波速度为32 km/s时,其波阵面的反射率约为35%,致盲效应出现时间与激光脉冲峰值到达时刻相同,持续时间也与激光脉宽相同。分析了致盲应产生的原因,并提出了解决办法。给出了加蓝宝石窗口后的测速公式,经过和实验对比,确认了测速公式的正确性。     

黑体辐射法测量电介质内部被超短激光脉冲加工后的温度

黑体辐射法可用于测量电介质内部被超短脉冲激光加工后,电子和晶格的瞬时温度.当一个超短激光脉冲通过物镜聚焦到石英玻璃内部时,在焦点附近诱导出微结构.微结构中热影响区的最大宽度为16μm,热影响区发出的黑体辐射谱通过物镜、带耦合透镜的光纤、光谱仪以及ICCD组装成的系统记录.测试系统收集了电介质内部被单个激光脉冲辐照后,热影响区发射的黑体辐射谱,然后用Planck公式拟合黑体辐射谱,得到电介质温度.电介质被超短激光脉冲辐照后,首先电介质中的价带电子通过强场电离和雪崩电离跃迁到导带,高温高压的等离子体以冲击波的形式向外运动,通过对流方式传递能量,该过程发生在激光辐照石英后21 ns内.21 ns后冲击波转化为声波,中心的气态石英通过热扩散方式影响周围的固态区域,石英温度缓慢下降.在时刻t(单位ns),石英玻璃的温度为5333 exp(-t/1289)K.石英经过3.72μs将冷却到室温,因此重复频率在269 k Hz以上的激光,加工石英玻璃时具有热累积效应.     

使用多光谱手段研究熔石英断裂机理

熔石英玻璃是高能激光系统中不可缺少的光学材料,其损伤问题一直是限制系统能量提升的瓶颈之一。通过纳秒激光脉冲诱导熔石英玻璃样品产生断裂,并使用多光谱手段对断裂前后样品进行检测,从而在实验和理论上了解了样品断裂形貌及内部相变结构成因,并从宏观到微观上统一解释了断裂形貌和相变结构的关系。在激光等离子冲击波作用下,熔石英发生断裂,且冲击波作用过程中在玻璃内部产生了推动裂纹扩展的尖端环向应力。在尖端环向应力作用下,不同损伤区域形成了不同扩展速度和长度的裂纹, 按照裂纹形貌特性差异可以将断裂区分为雾化区、羽毛区、镜面区三个部分。使用透射光谱、能量散射光谱检测损伤前后样品,发现裂纹的产生引起了玻璃透过率和带隙的下降,且断裂区出现氧原子游离或缺失;使用Raman光谱检测样品损伤前后不同形貌区,发现等离子冲击波使熔石英中Si-O-Si键断裂并发生重组,导致镜面区、羽毛区、雾化区三元拓扑环和四元拓扑环宏观上对应的斯石英相和柯石英相的相对含量依次升高,破坏了材料的固有原子结构特性,使材料断裂区向高密度相转变。氧游离的发生会在玻璃内部产生的大量缺陷,从而使得玻璃透过率及带隙下降,严重影响了玻璃的性能。     

GaInAsP/InP double-heterostructure lasers for fiber odtic communications

This paper reviews the performance of GaInAsP/InP double-heterostructure diode lasers prepared by liquid-phase epitaxy. These lasers have the advantage that exact lattice-matching between the GaIn-ASP active region and the InP substrate is possible for quaternary alloy compositions giving emission wavelengths over a range that includes 1.1-1.3 μm, the optimum region for optical communication systems utilizing fused silica fibers. Continuous operation at room temperature has been achieved in this region for proton-defined stripe (PDS), oxide-defined stripe (ODs), and junction-defined, buried-stripe (JDBS) lasers. The first three PDS devices to be life-tested have already logged over 6,000, 5,700, and 4,000 h, respectively, of cw operation at room temperature without any degradation.     

Suppression of large intraluminal bubble expansion in shock wave lithotripsy without compromising stone comminution: methodology and in vitro experiments.

To reduce the potential of vascular injury without compromising the stone comminution capability of a Dornier HM-3 lithotripter, we have devised a method to suppress intraluminal bubble expansion via in situ pulse superposition. A thin shell ellipsoidal reflector insert was designed and fabricated to fit snugly into the original reflector of an HM-3 lithotripter. The inner surface of the reflector insert shares the same first focus with the original HM-3 reflector, but has its second focus located 5 mm proximal to the generator than that of the HM-3 reflector. With this modification, the original lithotripter shock wave is partitioned into a leading lithotripter pulse (peak positive pressure of 46 MPa and positive pulse duration of 1 micros at 24 kV) and an ensuing second compressive wave of 10 MPa peak pressure and 2 micros pulse duration, separated from each other by about 4 micros. Superposition of the two waves leads to a selective truncation of the trailing tensile component of the lithotripter shock wave, and consequently, a reduction in the maximum bubble expansion up to 41% compared to that produced by the original reflector. The pulse amplitude and -6 dB beam width of the leading lithotripter shock wave from the upgraded reflector at 24 kV are comparable to that produced by the original HM-3 reflector at 20 kV. At the lithotripter focus, while only about 30 shocks are needed to cause a rupture of a blood vessel phantom made of cellulose hollow fiber (i.d.=0.2 mm) using the original HM-3 reflector at 20 kV, no rupture could be produced after 200 shocks using the upgraded reflector at 24 kV. On the other hand, after 100 shocks the upgraded reflector at 24 kV can achieve a stone comminution efficiency of 22%, which is better than the 18% efficiency produced by the original reflector at 20 kV (p = 0.043). All together, it has been shown in vitro that the upgraded reflector can produce satisfactory stone comminution while significantly reducing the potential for vessel rupture in shock wave lithotripsy.     

GaInAsP/InP double-heterostructure lasers for fiber odtic communications

Abstract

This paper reviews the performance of GaInAsP/InP double-heterostructure diode lasers prepared by liquid-phase epitaxy. These lasers have the advantage that exact lattice-matching between the GaIn-ASP active region and the InP substrate is possible for quaternary alloy compositions giving emission wavelengths over a range that includes 1.1–1.3 μm, the optimum region for optical communication systems utilizing fused silica fibers. Continuous operation at room temperature has been achieved in this region for proton-defined stripe (PDS), oxide-defined stripe (ODs), and junction-defined, buried-stripe (JDBS) lasers. The first three PDS devices to be life-tested have already logged over 6,000, 5,700, and 4,000 h, respectively, of cw operation at room temperature without any degradation.     

Energy partitioning in laser-induced millimeter-sized spherical cavitation up to the fourth oscillation

To investigate the energy partitioning up to the fourth oscillation of a millimeter-scale spherical cavitation bubble induced by laser, we used nanosecond laser pulses to generate highly spherical cavitation bubbles and shadowgraphs to measure the radius-time curve. Using the extended Gilmore model and considering the continuous condensation of the vapor in the bubble, the time evolution of the bubble radius, bubble wall velocity, and pressure in the bubble is calculated till the 4th oscillation. Using Kirkwood-Bethe hypothesis, the evolution of velocity and pressure of shock wave at the optical breakdown, the first and second collapses are calculated. The shock wave energy at the breakdown and bubble collapse is directly calculated by numerical method. We found the simulated radius-time curve fits well with experimental data for the first four oscillations. The energy partition at the breakdown is the same as that in previous studies, the ratio of shock wave energy to bubble energy is about 2:1. In the first collapse and the second collapse, the ratio of shock wave energy to bubble energy is 14.54:1 and 2.81:1 respectively. In the third and fourth collapses, the ratio is less, namely than 1.5:1 and 0.42:1 respectively. The formation mechanism of the shock wave at the collapse is analyzed. The breakdown shock wave is mainly driven by the expansion of the supercritical liquid resulting from the thermalization of the energy of the free electrons in the plasma, and the collapse shock wave is mainly driven by the compressed liquid around the bubble.     

Waves in interplanetary shocks: a wind/WAVES study

We describe results from the first statistical study of waveform capture data during 67 interplanetary (IP) shocks with Mach numbers ranging from approximately 1-6. Most of the waveform captures and nearly 100% of the large amplitude waves were in the ramp region. Although solitary waves, Langmuir waves, and ion acoustic waves (IAWs) are all observed in the ramp region of the IP shocks, large amplitude IAWs dominate. The wave amplitude is correlated with the fast mode Mach number and with the shock strength. The observed waves produced anomalous resistivities from approximately 1-856 Omega.m (approximately 10(7) times greater than classical estimates.) The results are consistent with theory suggesting IAWs provide the primary dissipation for low Mach number shocks.