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。     

成像型任意反射面速度干涉仪的散斑抑制

成像型任意反射面速度干涉仪(VISAR)是激光驱动聚变实验中诊断冲击波速度的重要设备。由于采用了激光照明靶面的方式,所获得的速度条纹图中不可避免有激光散斑的干扰,严重影响动态条纹的质量。介绍了该系统的激光散斑形成原因和散斑对速度分析的影响,提出了一种频谱面滤波的方式去除高频散斑噪声的方法,并通过搭建散斑光路、合理设置滤波孔位置和大小,对该方法进行了验证。结果表明,该方法对影响条纹图的高频散斑噪声具有抑制作用,适合应用于成像型VISAR系统。     

约束靶面黑漆涂层对激光冲击波的影响

 介绍了约束靶表面的黑漆涂层对激光冲击波的影响。激光功率密度 10⁹W/cm²量级，脉宽33ns，波长1.06μm。靶材选用两种不同厚度的铜和铝，靶表面用有机玻璃约束。通过对冲击波压力的直接测量发现，涂层不仅可以增加激光冲击波压力，而且还影响冲击波的演化过程。比较有无涂层的靶面SEM照片发现，黑漆涂层能有效地保护激光辐照表面，使之不受激光烧蚀。     

Effect of shock heating on the stability of laser-driven targets

The shock heating of a laser-driven, direct-drive target can determine its stability by affecting Rayleigh-Taylor growth rates through target decompression and ablative stabilization. Measurements indicate that pulses that rise rapidly to 10(14) W/cm(2) produce shock-induced temperatures of approximately 25 eV, whereas more slowly rising pulses show less heating. Analysis of the observed target behavior produced by these two pulses demonstrates that shock heating improves hydrodynamic stability because ablative stabilization increases when the targets are preheated by shocks.     

视角因子方法在间接驱动ICF中的应用

采用视角因子方法,对间接驱动惯性约束聚变(ICF)过程中从腔内壁辐射到靶丸表面的辐射进行了计算,并分析了激光原型装置上的一个实验的对称性环境。间接驱动ICF系统的不对称性一般来自于激光焦斑和腔体的几何结构,利用视角因子方法,计算X光能量在腔体内的强度分布,将靶丸表面的驱动对称性表示成腔体结构和激光焦斑几何参数的函数。结果表明,采用该方法的程序模拟能够评估腔靶设计的主要参数。     

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。     

Generation and detection of superstrong shock waves during ablation of an aluminum surface by intense femtosecond laser pulses

Superstrong shock waves of multimegabar level generated during ablation of an aluminum surface by intense (<1 PW/cm²) femtosecond laser pulses have been detected by observing the propagation of a shock wave in air from the ablated surface to a broadband piezoelectric receiver. The estimated initial pressure and velocity of the shock wave (ablation plume) agree well with data obtained earlier by various methods for shock waves propagating inside ablated targets.     

自校准靶型在冲击波实验中的应用

在使用任意反射面速度干涉仪(VISAR)测量运动表面速度的过程中,利用双灵敏度方法可以获得唯一的速度。由于双灵敏度方法对速度的判断需要人为干预,所以就会出现速度的非唯一性问题。在成像型VISAR中,由于散斑和条纹质量下降等问题,该现象更加严重。提出了一种可进行自校准判断的靶型,可以在获得冲击波速度的同时获得唯一冲击波速度,从而改进了双灵敏度方法。通过积分速度曲线的面积,获得运动表面所经历的距离。比较几组相近速度曲线的积分值与已知样品的厚度,可以获得准确的冲击波速度历史曲线图。同时该方法也是一种从实验上验证VISAR系统不确定度的方法,与理论上的评估结果相互吻合,证明了该方法的正确性。这种改进的双灵敏度测速方法和不确定度评估方法,可为未来的VISAR诊断精密化发展提供技术思路。     

基于神光Ⅲ原型装置的冲击点火分解实验

冲击点火是一种新型点火方式,介绍了国内进行的冲击点火分解实验。实验结果表明:相比于方波脉冲,在冲击峰整形脉冲作用下激光与等离子体相互作用明显增强,背向散射光的份额增加,散射光谱来自于不同密度的等离子体区域。实验中也观察到了方波条件下冲击波在CH样品中的传播过程,与模拟计算结果较为符合。     

用于冲击诊断的成像速度干涉仪

为了诊断测量激光驱动冲击波,研制了具有空间分辨力的成像型速度干涉仪.该干涉仪主要包括输入部分、像传递部分及干涉部分,探测光采用波长为532 nm的单纵模激光.在靶位放置一分线板,经过测量,其空间分辨力小于10μm.基于天光KrF准分子激光系统的参数,设计并自制含有烧蚀层的单台阶金属靶,利用成像型速度干涉仪测量到了金属铝...     

多次冲击波压缩DT冰理论研究

 冲击波压缩DT是ICF内爆过程中的主要熵增因素,如何用有限数目的时间整形冲击波实现近等熵压缩过程是优化点火靶设计的关键。利用理想气体和实际DT状态方程,计算系列冲击波压缩后的熵增和密度变化,分析表明,当第一个冲击波压强不大于0.1 TPa,后续再用3个冲击波达到10 TPa,总熵增不影响点火靶DT压缩性能,增加冲击波个数对DT熵增和压缩度改善效果很小。     

Long duration light emission from femtosecond laser–target interactions

Time resolved emission from the interaction of ultra-short (∼200 fs) laser pulses with aluminum and copper targets was investigated. Measurements show that emission from the laser produced plasma in air is significantly more intense than in near vacuum conditions and that the emission in air can extend for periods exceeding 100 ns. Modeling the laser–target–air coupling shows that the laser–target interaction can lead to blast wave shock waves being launched in the ambient air and that the emission from the shocked air dominates over emission from the target surface. The long term emission measurements in air are in agreement with the modeling results.     

激光惯性约束聚变靶技术现状及其发展趋势北大核心CSCD

靶是激光惯性约束聚变(ICF)研究的物质基础,其质量的好坏对物理实验结果有极其重要的影响。靶本身的特点决定了制靶是一项极其复杂且特色鲜明的系统工程。主要介绍了国内ICF靶制备技术的现状,并对存在的问题及今后一段时期内的发展趋势作了简要说明。     

超短超强激光与液体的相互作用研究

超短超强激光与液体靶相互作用时表现出许多有趣的特点，这明显区别于激光脉冲与固体或气体靶的相互作用情况．文章分别介绍了激光诱发等离子体所产生的高压冲击波、激光空泡、X射线、高能超热电子以及白光，对它们的产生机制及其各自的显著特征进行了综合描述．文章最后对超短超强激光脉冲与各种不同形态的液体靶相互作用的应用前景作了简单介绍。     

Modeling of vapor-droplet plumes ablated from multiple spots

The study aims at modeling of plume shielding aspects of laser ablation processes with multiple laser pulses applied to multiple targets. The main obstacle with the efficient use of multiple laser pulse technologies is an attenuation of the laser irradiation by previously ablated plumes. Dynamics of plumes is described by the axisymmetric Euler equations describing a vapor-droplet ablated mixture rolling-up in the surrounding ideal gas. For multiple laser pulses, the role of absorption of laser beam by previously ablated plumes is evaluated varying a model parameter that defines the fraction of laser energy absorbed by the ablated mixture. Absorption of laser beam by plume may cause its secondary explosion that cleans the target surface and, subsequently, increases the mass ablated by the consequent pulse. Dynamics of plumes ablated from two targets with possible time delay between two laser hits is investigated as a representative case of multiple targets. Shielding of the surface between targets appears to be significant if the second pulse occurs before the first shock wave passes the second target.     

Cryogenic Hydrogen Fuel for Controlled Inertial Confinement Fusion (Cryogenic Target Factory Concept Based on FST-Layering Method)

A central element of a power plant based on inertial confinement fusion (ICF) is a target with cryogenic hydrogen fuel that should be delivered to the center of a reactor chamber with a high accuracy and repetition rate. Therefore, a cryogenic target factory (CTF) is an integral part of any ICF reactor. A promising way to solve this problem consists in the FST layering method developed at the Lebedev Physical Institute (LPI). This method (rapid fuel layering inside moving free-standing targets) is unique, having no analogs in the world. The further development of FST-layering technologies is implemented in the scope of the LPI program for the creation of a modular CTF and commercialization of the obtained results. In this report, we discuss our concept of CTF (CTF-LPI) that exhibits the following distinctive features: using a FST-layering technology for the elaboration of an in-line production of cryogenic targets, using an effect of quantum levitation of high-temperature superconductors (HTSCs) in magnetic field for noncontacting manipulation, transport, and positioning of the free-standing cryogenic targets, as well as in using a Fourier holography technique for an on-line characterization and tracking of the targets flying into the reactor chamber. The results of original experimental and theoretical investigations performed at LPI indicate that the existing and developing target fabrication capabilities and technologies can be applied to ICF target production. The unique scientific, engineering, and technological base developed in Russia at LPI allows one to make a CTFLPI prototype for mass production of targets and delivery thereof at the required velocity into the ICF reactor chamber.     

“闪光二号”电子束辐照平板靶产生热击波的实验研究

 热击波是电子束辐照靶材料时在其内产生材料响应的一个重要力学现象。论述了近两年来我们在“闪光二号”装置上进行电子束辐照平板靶产生热击波的实验研究。使用的靶厚为2.8~6.5 nm,靶材为LY-12铝,靶上能通量为87~152 J/cm²。实验结果表明,实测热击波应力峰值为0.35~2.0 GPa,热击波平均作用时间约为0.29 μs,均半高宽约为0.14 μs,平均上升时间约为0.10 μs。