激光聚变研究中心激光技术研究进展北大核心CSCD

介绍了中物院激光聚变研究中心在神光-Ⅲ主机装置建设、大口径高通量验证实验平台研制、神光-Ⅲ原型装置运行与性能提升、支撑激光驱动器建设的精密装校与洁净处理技术和精密光学检测技术、星光-Ⅲ激光装置建设、PW量级全光参量啁啾脉冲放大系统技术以及高功率波导激光技术等方面的主要研究进展情况。     

单晶铁金属表面污染物的激光烧蚀机理

激光惯性约束核聚变装置中要求光学元件能够承受极高的激光通量,因此对装置内部洁净度有很高的要求.研究表明装置内部的颗粒污染物主要来源于装置内的机械结构件,杂散光作用下机械结构件表面的损伤将产生颗粒污染物.精密金属构件的激光诱导损伤问题是制约高功率激光装置超洁净制造的重要因素.由于机械结构件表面不可避免地存在污染物,因此本文基于传统的分子动力学能量耦合方式,模拟了激光与表面吸附污染物单晶铁的相互作用过程,探讨了铁材料在激光作用下的烧蚀行为,并分析了激光加载方式和激光能量密度对铁材料烧蚀的作用情况,对比研究了材料表面有无污染物对材料烧蚀的影响情况.研究表明：激光作用下铁材料表面原子在污染物原子的剧烈碰撞下呈现出不同的运动状态;激光能量瞬时加载时更容易烧蚀铁材料;当激光能量密度低于0.0064 J/cm²时,将去除铁材料表面的污染物并不会对铁材料产生烧蚀现象,进一步分析表明铁材料表面吸附污染物时更容易被激光烧蚀.研究结果可为提高高功率激光装置的内部洁净度、实现系统超洁净控制提供理论依据.     

红外冷光学用杜瓦静态真空维持及其漏热机理分析

介绍了所研制的红外冷光学真空系统,并对红外冷光学真空杜瓦进行了静态真空维持试验。结果表明,静态真空维持4 h后,未烘烤除气的杜瓦内部真空度由8.6 E-3 Pa回升至12.5 Pa,光学镜组最大温升为17℃;经100℃烘烤除气48 h的杜瓦内部真空度由4.1 E-3 Pa回升至2.5 Pa,光学镜组最大温升为14.9℃;经100℃烘烤除气120 h的杜瓦内部真空度由3.0 E-3 Pa回升至1.5 Pa,光学镜组最大温升为14.7℃。通过分析杜瓦漏热机理,可知杜瓦内部材料出气是导致静态真空维持能力下降、杜瓦漏热增加的根本原因。     

神光Ⅲ原型装置背向散射光诊断系统的标定

背向散射光诊断系统是惯性约束聚变实验中的重要诊断装置。概述了神光Ⅲ原型激光装置背反系统的基本结构和工作原理,详细介绍了一种全口径光斑透过率和光谱响应标定方法。该方法以高功率激光光源和氙灯光源作为标定源,利用特殊的标定光路形成大光斑覆盖背反系统光学元件的全部口径,模拟散射光在全孔径背反系统上的分布,分别对系统的透过率和光谱响应进行了标定。标定结果表明,全孔径背向散射系统受激拉曼散射支路能对波长大于400nm的光进行传递,在527nm处的透过率较低。     

二维动态海面-气泡层中蓝绿激光的透射特性

为研究气-海跨介质的蓝绿激光传输特性,针对气-海跨介质界面及海面下气泡层,依据基尔霍夫近似、Mie理论与Beer理论建立了蓝绿激光通过海面-气泡层的下行传输模型。充分考虑了受风速影响的海面高度起伏、海水中气泡浓度变化、海水中洁净气泡和有薄膜覆盖气泡的混合等因素,数值计算了蓝绿激光经过海面-气泡层的透过率随风速、海水中的传输深度以及接收平面与发射平面夹角的变化关系。结果表明,蓝绿激光通过气-海界面及海水中的透过率主要取决于风速的大小与激光在海水中的传输深度;随着风速的增大,海面粗糙度与上层海洋中气泡浓度增大,激光透过率降低;与海水相比,气泡层对激光透过率的影响会随着深度的增加而降低;对于半径大于10μm的气泡,蛋白质薄膜的覆盖对蓝绿激光的衰减影响不大。     

光学元件波前畸变对驱动器光路设计的影响

高功率激光驱动器光路设计要考虑像传递、鬼像规避和杂散光管理等多项优化措施.基于衍射光学传播理论,从输出负载能力提升的角度研究大口径光学元件波前特性对驱动器光路设计参数优化的影响.研究表明,驱动器末级光路的排布间隔如果控制在6 m以上,将非常有助于提高激光驱动器的输出负载能力.一般情况下,波前峰谷值达到0.34λ的单块大口径光学元件能使高功率激光的近场光束质量最大下降约10%,达到1.36λ后最大下降约21%;波前分布特性不同的多片大口径光学元件的波前相消叠加有利于降低中频波前部分对装置负载能力的影响,但是,大口径光学元件的非线性效应会加重中频波前对装置输出负载能力的影响;在限定大口径元件损伤阈值20J/cm~2的前提下,光路排布紧凑的激光驱动器末级输入激光通量控制在16.8J/cm~2之下不易损伤光学元件.相对宽松的光路设计可以进一步提高末级输出激光的平均通量水平,非常有利于激光驱动器装置输出负载能力的提升.     

高功率激光传输过程中散射点对光束质量的影响

为了研究高功率激光传输过程中不透明颗粒引起的光束调制,通过分析这些不透明颗粒的形状和分布特点,建立了位置呈随机分布的高斯状散射点模型,从光束的衍射理论和干涉叠加理论出发,得到该模型下散射点对传输光束质量影响的解析式。数值分析了高斯状散射点的大小、密度、散射面积比及其传输距离对输出光束的近场分布、位相分布和光束透过率的影响,结果显示亚毫米量级散射点的衍射效应引起最大调制可达1．4,光学元件散射面积比小于0．003时才能满足元件透过率大于99．5％的需求。该结果可用于评价高功率激光装置光学元件的加工状况,并对光学元件加工要求和激光装置的洁净度要求有指导意义。     

光学元件激光预处理技术研究进展及其应用

光学元件中的杂质和缺陷会引起其激光损伤阈值的大幅降低,现阶段这一问题已成为激光装置向高功率、高能量方向发展的“瓶颈”,亟待解决。在对光学元件激光损伤的研究中发现,用低于光学元件损伤阈值的激光对元件表面进行预处理,可以有效提高光学元件的抗激光损伤能力。对激光预处理技术的提出背景、定性作用机理、定量理论模型及国内外技术应用现状进行了概述。并且介绍了一种可在薄膜制备过程中进行原位实时激光预处理的新型薄膜制备技术。最后指出,激光预处理技术作为一种无污染,可有效改善光学薄膜、光学玻璃、光学晶体元件损伤阈值的最有效方法之一,其作用机理、实用化、仪器化还有待进一步发展。     

光学元件激光预处理技术研究进展及其应用

光学元件中的杂质和缺陷会引起其激光损伤阈值的大幅降低,现阶段这一问题已成为激光装置向高功率、高能量方向发展的“瓶颈”,亟待解决。在对光学元件激光损伤的研究中发现,用低于光学元件损伤阈值的激光对元件表面进行预处理,可以有效提高光学元件的抗激光损伤能力。对激光预处理技术的提出背景、定性作用机理、定量理论模型及国内外技术应用现状进行了概述。并且介绍了一种可在薄膜制备过程中进行原位实时激光预处理的新型薄膜制备技术。最后指出,激光预处理技术作为一种无污染,可有效改善光学薄膜、光学玻璃、光学晶体元件损伤阈值的最有效方法之一,其作用机理、实用化、仪器化还有待进一步发展。     

光学亚表面损伤的探测和后处理技术

光学元件的损伤问题已成为高功率固体激光装置研制的核心问题，而紫外的损伤尤为严重。光学元件的激光损伤与能吸收能量的多种缺陷有关，例如：表面污染、表面擦伤和材料本体的缺陷(气泡或所含杂质)等。研究工作拟从光学元件的亚表面损伤人手，探测不同的光学制造工艺造成的特征亚表面缺陷，研究这些缺陷对激光损伤研制的影响。建立亚表面缺陷化学后处理装置，减少或消除亚表面缺陷所引起激光损伤的程度，为光学元件制造工艺选型提供必要的依据。     

CO2激光和等离子体清洗提高石英基片损伤阈值

 采用连续CO₂激光和真空等离子体相结合的方法对石英基片进行清洗。通过光学显微图、水接触角、透过率和损伤阈值测量分别表征了CO₂激光和等离子体对真空硅脂蒸发物污染过的石英基片的清洗效果。研究表明：对于真空硅脂蒸发物污染后的石英基片，可以先采用低能量的CO₂激光进行大面积清洗，再用真空等离子体进行精细清洗。光学显微图像表明：清洗后的基片表面的油珠被清除干净；水滴接触角由63°下降到4°；在400 nm附近，基片透过率由92.3%上升到93.3%；损伤阈值由3.77 J/cm²上升到5.09 J/cm²。     

光学成像法和穿孔法测量飞秒激光焦斑特征

 超短超强激光焦斑参数的精确测量是深入开展精密物理实验的前提。在SILEX-Ⅰ激光装置上,采用光学成像法和穿孔法测量了μJ级能量下的激光焦斑特性,采用光学成像方法得到了激光主瓣大小及能量集中度信息,通过穿孔法得到了激光能量透过率与不同大小孔径的关系曲线,并对两种方法得到的测量结果进行了比对研究。研究结果表明,光学焦斑测量法和穿孔法都可以比较准确地反映激光焦斑的能量分布情况,得到的能量分布偏差小于10%。     

基于综合光谱法的污染物颗粒诱导光学元件损伤研究

K9玻璃具有硬度高、热稳定性好、膨胀系数小以及较高的透过率等特性，被广泛应用在高功率激光领域。光学元件污染物诱导损伤问题成为限制高功率激光器发展的瓶颈之一，深入研究光学元件的损伤机理对于控制损伤的形成具有重要意义。为探究损伤机理，利用光谱探测分析对Al₂O₃诱导K9玻璃激光损伤的机制进行了研究。即采用EDS能谱探测技术对损伤前后损伤形貌及元素原子百分比变化进行探究，进而了解损伤过程中发生的物理变化及烧蚀化学变化，并结合LIBS技术对损伤过程中的电离过程进行诊断和讨论。实现了对光学元件损伤原理的探究以及光学元件安全的实时监测。研究结果表明，在激光诱导污染物至K9玻璃损伤的过程中，Al₂O₃颗粒形貌发生变化，K9玻璃也有微形损伤坑的出现。此外，Al₂O₃颗粒元素原子百分比含量由于颗粒的变形而发生改变，K9基底中含有的Na₂O与氧气结合造成了O元素原子百分比含量升高，SiO₂会发生气化-凝结成超细颗粒导致Si元素原子百...     

光学亚表面损伤的探测和后处理技术

光学元件被污染和亚表面存在的缺陷将使它的性质受损。即使是微小尺寸的缺陷（小于φ1μm）也会引起激光损伤。国外研究表明，光学元件在其制造过程中形成的亚表面缺陷是导致紫外损伤的主要根源之一。光学元件的损伤问题已成为高功率固体激光装置研制的核心问题，而紫外的损伤尤为严重。     

双光子吸收材料用于高功率激光近场控制技术

 为了提高高功率激光光束质量和改善近场均匀性,在SILEX-Ⅰ超短脉冲激光装置的泵浦光系统上进行实验,研究了一种双光子吸收材料的光限幅特性及对激光近场的改善情况。利用泵浦光SAGA激光器输出的激光进行光限幅特性实验。结果表明:该材料具有明显的光功率限幅特性,且透过率较高,当入射光强小于0.60 GW/cm₂时,透过率大于90%。在SILEX-Ⅰ装置的泵浦光系统进行联机实验,研究了该材料对激光近场均匀性的改善。实验结果表明:经过材料后,激光近场均匀性和调制度有明显改善。     

高功率激光驱动器中的若干关键工程光学问题

高功率激光装置是一个复杂的有源巨型光学工程,其性能指标要求逼近科学技术与物理极限。驱动器研制有物理设计、工程光学和结构工程设计三大过程,工程光学在其中起着重要作用。高功率激光装置工程光学设计需遵循其特有的设计原则和要点,以保证装置的高性能。根据驱动器设计指标和设计特点,从总体光学设计、光束质量控制以及光束打靶精度控制方面,综述了高功率激光装置工程光学设计中的关键科学技术问题以及相应解决方法,为未来高功率激光驱动器的发展提供必要的工程设计参考。     

大气常压等离子射流清洗溶胶-凝胶SiO_2膜表面油脂污染物

采用大气常压等离子射流技术对溶胶-凝胶SiO2膜表面的油脂污染物进行清洗。利用分光光度计、扫描电子显微镜、红外光谱仪对溶胶-凝胶SiO2膜透过率、表面形貌、化学结构进行表征,并分析清洗前后溶胶-凝胶SiO2膜的激光损伤阈值变化。损伤阈值测试表明,1064nm波长的激光损伤阈值由污染后的16.08J/cm2上升到24.41J/cm2,与污染前24.72J/cm2的损伤阈值相当。同时还获取清洗的最佳时间为10s。清洗前后,溶胶-凝胶SiO2膜保持完好,且未产生新的有机污染物。研究结果表明:大气常压等离子射流技术可对溶胶-凝胶SiO2膜表面的油脂污染物进行有效地清洗,从而提高溶胶-凝胶SiO2膜的透过率和激光损伤阈值,为高功率激光装置的稳定运行提供保障。     

横向受激布里渊散射诱导破坏的数值研究

基于非线性光学的耦合波理论 ,建立了大尺寸光学元件中横向受激布里渊散射 (TSBS)的二维模型及其数值模拟方法 ,并对熔石英玻璃中的瞬态TSBS进行了理论研究 ,得到了存在TSBS情况下光学元件内光场和应力场的演变特征 ,探讨了TSBS对高功率激光系统透过性能的影响 ,以及在光学元件内诱导破坏的可能性和规律     

HL-2A托卡马克装置真空系统

介绍了HL 2A装置真空系统研制。它由真空主抽气系统、抽气偏滤器、直流辉光放电清洗系统组成。主抽气系统提供了装置真空室从大气到高真空、烘烤除气、直流辉光放电清洗所需要的抽气能力。抽气偏滤器初步实现了托卡马克放电过程中边缘粒子的抽运与控制;直流辉光放电清洗系统保证了装置良好的真空器壁条件。介绍了这些系统的初步运行情况,并给出了其测试结果。HL 2A装置首轮物理实验运行时真空室极限真空度达到4.6×10-6Pa,12h总漏放气率为1.8×10-5Pa·m3·s-1。     

平面、薄膜及凹槽靶激光等离子体的参数分布特性与其靶结构关系的实验研究

本文报道最近在中国科学院上海精密光学机械研究所六路高功率激光装置上对平面、薄膜及凹槽靶激光等离子体的实验结果。诊断结果表明,激光等离子体各参数的空间分布与其靶结构有着十分密切的关系。讨论了各种靶激光等离子体的电子温度、密度及离化态分布的特点并与理论计算的结果进行了初步的比较。