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.     

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.     

基于神光Ⅲ原型装置的成像型任意反射面速度干涉仪北大核心CSCD

介绍了基于神光Ⅲ原型装置的成像型任意反射面速度干涉仪(VISAR)的系统结构和实验结果,详细阐述了为解决VISAR系统的光路对接调试、干涉仪零程差状态保持、探针激光方式、条纹相机触发时间等问题而采取的特殊手段。对系统性能进行了测试,结果表明:时间分辨力优于30 ps,空间分辨力优于10μm,测速范围为10～50 km.s-1。通过神光Ⅲ原型装置进行打靶实验,结果表明:该系统能获得透明材料中冲击波作用形成的清晰干涉条纹,能依据条纹分布情况来判断冲击波在空间不同位置的作用情况。对双灵敏度结构获得的两幅条纹图像进行处理,计算得到了冲击波在透明材料中的传播速度为36.5 km.s-1。     

整形脉冲驱动下透明材料离化现象

 利用成像型速度干涉仪研究了大型激光原型装置整形脉冲驱动实验中产生的预热效应。对冲击波传输过程进行了分析,发现第１和第２个冲击波的起始时刻都在胶层里面,第３个冲击波的起始时刻在熔石英窗口里面。实验发现,由于X光离化效应的影响,第１和第２个冲击波传输引起的条纹跳变并没有观察到。第２和第３个激光脉冲前半部分产生的离化效应将透明窗口完全漂白,导致成像型速度干涉仪获得的条纹图出现了间断。实验观察到了第３个激光脉冲驱动的冲击波在熔石英中产生的加速和减速过程。对整形脉冲获得的实验结果进行了初步解释,得出现有条件下整形脉冲驱动应注意的问题为：控制最高辐射温度,选用带隙大的窗口材料,尽量减小胶层的厚度。     

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.     

基于神光Ⅲ原型装置的成像型任意反射面速度干涉仪

 介绍了基于神光Ⅲ原型装置的成像型任意反射面速度干涉仪(VISAR)的系统结构和实验结果,详细阐述了为解决VISAR系统的光路对接调试、干涉仪零程差状态保持、探针激光方式、条纹相机触发时间等问题而采取的特殊手段。对系统性能进行了测试,结果表明:时间分辨力优于30 ps,空间分辨力优于10 μm,测速范围为10~50 km·s^-1。通过神光Ⅲ原型装置进行打靶实验,结果表明:该系统能获得透明材料中冲击波作用形成的清晰干涉条纹,能依据条纹分布情况来判断冲击波在空间不同位置的作用情况。对双灵敏度结构获得的两幅条纹图像进行处理,计算得到了冲击波在透明材料中的传播速度为36.5 km·s^-1。     

神光-Ⅲ原型装置初步的激光脉冲整形实验

针对物理实验要求的三台阶整形脉冲(脉冲宽度比为1.5 ns:1ns:0.5 ns,幅度比为1:4:16),在神光-Ⅲ原型(TIL)装置上开展了脉冲时间波形整形实验研究。首先,针对发射目标利用激光性能仿真模型预测注入激光系统的激光能量和脉冲波形。然后,在脉冲整形后进行不同功率的激光发射对脉冲波形进一步修正:利用实验测量的频率转换效率修正各光束1ω能量和1ω脉冲波形;通过拟合实验测量的能量数据修正注入激光能量;通过增益-通量曲线修正注入激光脉冲波形。最后,将各束注入脉冲波形再次折中作为脉冲波形调整的最终依据。实验结果表明,对靶面要求的3ω-3 ns-0.5 kJ(单束)的三台阶整形脉冲,8束脉冲波形与要求比较一致;三个台阶的束间瞬时均方根功率不平衡分别约为30%,10%和5%。     

激光驱动准等熵压缩透明窗口LiF的透明性

LiF在激光驱动高压实验中是比较常见的窗口材料, 其在冲击下透射或反射可见诊断光是作为窗口材料的重要特性. 在神光III原型激光装置上开展了带LiF窗口的铝样品准等熵压缩实验, 采用任意反射面速度干涉仪诊断获得准等熵压缩样品(CH/Al/LiF)的反射率. 实验结果表明在准等熵压缩后期反射率诊断出现致盲现象. 为此, 建立了带透明窗口的样品对诊断光的反射率模型, 模型考虑了窗口LiF压缩后透明性变化. 模型计算的CH/Al/LiF样品对可见光的反射率时间演化过程与实验结果符合较好. 研究结果表明: LiF中压缩波追赶逐渐形成强冲击波, 显著降低了LiF的透明性, 并最终发生致盲现象; 第一性原理方法所给出的LiF的能带间隙偏低1–2 eV; 该实验中, LiF的透明性完全消失时, LiF中波头处的温度约为1 eV, 压力为2–3 Mbar.     

激光驱动气库靶对铝的准等熵压缩实验研究

利用激光驱动气库材料形成的等离子体射流对材料进行斜波加载, 可以获得高应变率的准等熵压缩. 在神光III 原型高功率激光装置上开展了激光驱动铝材料的准等熵压缩实验, 成像型速度干涉仪VISAR记录到样品自由面连续、光滑的速度历史, 采用反积分法得到60 GPa以上的峰值压强, 加载上升沿约10 ns,应变率可达10⁸ s ^-1, 并且观察到了压缩波在样品后表面的反射效应.     

辐射驱动内爆流线实验测量

内爆速度的测量是惯性约束聚变研究中的核心问题, 是判断聚变点火反应的关键物理量. 在神光II激光装置上, 利用KB显微镜配合时间分辨为10 ps的条纹相机, 对1600 J激光能量注入, 3倍频, 脉宽为1 ns黑腔辐射驱动CH靶球, 获得了清晰的辐射驱动内爆流线轨迹X射线图像. 通过流线轨迹图像给出了最大内爆速度为160 km/s. 利用Multi1D程序对内爆压缩流线和壳层速度变化进行了模拟, 实验数据和理论模拟较符合.     

成像型任意反射面速度干涉仪测速精度检测

基于神光Ⅲ原型装置,提出了一种对成像型任意反射面速度干涉仪(VISAR)测量冲击波速度的精度进行实验检验的方法。针对一般双灵敏度VISAR存在的多值问题,该方法利用厚度已知的样品获得了准确的冲击波速度历史曲线图,并给出其测速精度。同时在理论上对这套测速系统进行了不确定度评估,预估结果与实验结果相吻合,验证了这种方法的正确性。此外,该方法还可用于单灵敏度VISAR确定条纹丢失的数目,仅凭一台条纹相机就可确定速度历史曲线。     

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介绍了在神光Ⅱ装置上开展的长脉冲2ns三倍频激光与黑腔靶相互作用的实验。报道了采用PIN探测器阵列测量大角度受激Raman散射（SRS）角分布和采用激光卡计对背向SRS光能量积分测量的实验结果。相同实验条件下激光辐照缝靶产生的SRS光能量要强于激光与全腔靶作用产生的SRS光，小腔靶的SRS光能量要强于标准腔靶。对比长脉冲2ns及短脉冲1ns激光打靶实验结果可以看出：由于激光功率密度的下降，长脉冲激光打靶时SRS散射光能量要弱于短脉冲激光打靶。长脉冲2ns激光与标准腔靶相互作用时，等离子体堵腔比较严重。     

基于神光Ⅲ原型装置的主动式冲击波测试技术北大核心CSCD

主动式冲击波双灵敏度精密诊断技术是惯性约束聚变物理实验精密化的关键技术之一,其主要功能是精密诊断惯性约束聚变中多个整形脉冲产生的冲击波加载、追赶的速度历程。对基于神光Ⅲ原型的成像型速度干涉仪技术进行了较全面的介绍。主要包括具有快速自校准能力的高分辨成像技术,束靶耦合物理对象分析与靶型设计技术,高置信度图像提取处理技术等关键技术。该系统空间分辨达到5μm、时间分辨10～30ps、测速不确定度小于2％,可对透明介质材料中的多次冲击过程进行连续测量。     

基于神光Ⅲ原型的激光直接驱动自由面准等熵实验研究

长脉冲激光打靶的直接驱动方式效率较高,但对激光强度变化非常敏感。利用测量自由面速度历史的方法对激光直接驱动准等熵压缩实验技术进行了分析,为改进激光直接驱动的准等熵压缩实验技术提供技术基础。介绍了国内在神光III原型装置上首次开展的激光直接驱动自由面准等熵压缩实验。对实验靶型、激光波形、典型实验结果以及实验中的关键技术进行了分析。在激光能量为1000 J的实验中,使用成像型速度干涉仪获得了较为理想的准等熵压缩条纹图。实验发现,自由面速度达到11.3 km/s时,自由面反射的探针光信号消失。通过对比Multi-1D软件的理论模拟数据与实验处理的结果,发现由于Al自由面缺少约束,这类实验会造成波系复杂化的问题,但是对主冲击的研究还是有意义的。对某些特殊材料,在很难找到阻抗匹配窗口的条件下,利用激光直接驱动方式研究材料高压响应特性提供了另一条可实施的技术途径。     

2 ns, 351 nm激光黑腔靶受激Raman散射实验研究

 介绍了在神光Ⅱ装置上开展的长脉冲2 ns,351 nm激光与黑腔靶相互作用的实验，报道了受激Raman散射光时间分辨谱图及能量测量的实验结果。长脉冲2 ns激光注入小腔靶（Ø700 mm×1 250 mm）时，激光辐照缝靶产生的SRS光能量是激光与全腔靶作用产生的SRS光能量的1.3倍。在2 ns激光与不同尺寸黑腔靶作用的情况下，激光辐照小腔靶产生的SRS光能量比标准腔靶(Ø800 mm×1 350 mm)产生的SRS光能量高1.6倍。由于激光功率密度下降，2 ns激光打靶SRS散射光要弱于短脉冲1 ns激光打靶，但持续时间稍长。实验结果表明：长脉冲2 ns激光与标准腔靶相互作用时，等离子体“堵腔效应”比较严重，标准腔靶尺寸不再合适。     

辐射温度与其驱动Al冲击波速度的定标关系研究

利用一维辐射流体力学程序,对不同脉冲波形的辐射温度与Al中冲击波速度关系进行模拟计算和分析.指出定标公式T_r=0.0126D^0.63主要适用于整形脉冲的辐射温度波形,而对高斯型和方波脉冲激光产生的辐射温度波形则不完全适用,通过计算给出修正的定标公式,且与自相似解得到的结果一致.另外对神光Ⅲ原型装置的整形脉冲辐射温度驱动Al样品冲击波轨迹进行了计算,得到第二个冲击波稳定传播所要求的Al样品的最小厚度.最后利用神光Ⅱ装置产生的辐射驱动冲击波,由修正的定标关系得到的辐射温度与软X射线能谱仪测量的辐射温度十分相符,从实验证实了修正定标关系的可靠性. 关键词： 辐射温度 冲击波速度 定标关系 整形脉冲     

神光-Ⅱ装置配套速度干涉仪

介绍了神光-Ⅱ装置配套线成像速度干涉仪光路排布、用于任意反射面的速度干涉仪系统中干涉仪结构的选择及干涉仪的调节。该仪器可以用于测量自由面速度、界面速度和透明材料中冲击波波阵面速度。该仪器的最小时间分辨力可达约20 ps,空间分辨力高于10μm。并在神光-Ⅱ装置上进行了动态打靶实验,实验用靶为Al-CH靶,获得了较好的实验图像,测得了CH中冲击波的平均传播速度为24.67 km/s。     

两级喇曼压缩系统配偏振干涉仪诊断等离子体电子密度

 在星光Ⅱ铷玻璃激光装置上,采用两级喇曼压缩系统产生的波长为308 nm的紫外光作为探针束,配合Nomarski偏振干涉仪对金平面靶冕区激光等离子体进行诊断。308 nm光具有波长短、亮度高、脉冲时间短、相干性好的优点,作为探针束诊断冕区产生的等离子体电子密度,可以与高功率激光装置打靶激光同步,实现有效地脉冲压缩,同时避免等离子体中谐波分量的干扰。实验获得了308 nm紫外探针光偏振干涉条纹图,在研究Abel反演算法的基础上,利用自行研制的基于Windows操作系统的实验数据处理软件,对实验数据进行了处理和分析,得到了冕区等离子体电子密度的空间分布。结果表明：两级喇曼压缩系统配偏振干涉能有效抑制主束谐波影响,以更高时间分辨测量等离子体的更高密度区域。     

平板冲击下氧化铝陶瓷弹性前驱波衰减的细观机理

利用一级轻气炮开展了不同厚度氧化铝陶瓷样品的平板冲击压缩实验,并借助激光速度干涉仪(VISAR)测试了样品的自由面速度历程.根据自由面速度历程确定了不同厚度氧化铝陶瓷样品的Hugoniot弹性极限值,结果显示,冲击压缩下氧化铝陶瓷中存在弹性前驱波衰减现象.进一步基于氧化铝陶瓷的细观结构扫描电镜(HEL)图像,分析了氧化铝陶瓷的细观结构特征,构建了含晶相、玻璃相等细观特征的力学模型.数值模拟冲击压缩加载下氧化铝陶瓷细观结构的力学响应过程,从细观层次上分析了弹性前驱波衰减现象的产生机理,指出冲击压力低于HEL时材料的细观损伤引起的能量耗散以及前驱波在细观结构晶界处反射和透射引起的能量分散过程是其产生的主要原因.