提高腔靶激光能量注入率的新途径

 在“星光Ⅱ”上测量了入射孔边缘镀CH膜的孔靶激光能量注入率,给出了注入率随入射激光能量和波长变化的经验公式,同时对堵口现象物理机理进行了一维数值模拟。实验结果表明:镀CH膜是增加激光能量注入率、提高腔靶辐射温度的有效方法。     

强激光斜入射半腔靶能量注入率测量

 在星光II单束激光条件下,通过新的方法、用热释电能量卡计和scientech378能量卡计测量了1.053 μm激光45°斜入射半腔靶及孔靶激光能量注入率,并估计了斜入射条件下的等离子体堵口速度。实验结果表明：相同参数条件下半腔靶与孔靶相比,激光能量注入率减少约10%。     

激光等离子体堵口效应的理论模拟

采用较为简化的理论模型,根据离子运动方程的自相似解,模拟了激光辐照腔靶时产生的妨碍能量继续注入的堵口效应,获得了注入腔靶的能量份额随小孔初始半径及激光参数的变化曲线。理论与实验结果相符。     

斜入射激光等离子体堵口时空特性研究

 在“星光II”上首次利用X光12分幅相机(XFC)成功地观测到了1.053 μm激光以45°方向斜入射孔靶和半腔靶等离子体堵口的时间和二维空间图象，获得了等离子体堵口速度，同时通过一维模型给出了斜入射条件下的等离子体堵口速度。实验结果表明：相同参数条件下半腔靶与孔靶相比，等离子体喷射速度高约15%。一维模型给出的等离子体喷射速度与XFC测出的等离子体喷射速度在实验误差范围内是一致的。     

平面孔靶激光等离子体堵口

以波长为1.06μm的强激光束辐照金平面孔靶,在小孔边缘激光功率密度I为8.3×10~(12)Wcm~2—4.8×10~(13)W/cm~2条件下,由高速摄影获得的堵口图象,推得堵口速度c_T为4.5×10~(?)cm/s—1.0×10~(?)cm/s,定标式为c_T=101(?)。还研究了时间积分的能量透过率。它依赖于小孔直径、激光脉宽和激光能量等。实验还发现,孔靶等离子体X光辐射时间呈双峰特征、空间分布出现 形状的图象。     

黑腔诊断孔堵口现象的数值模拟

 提出一个用一维数值模拟方法研究黑腔诊断孔的堵口现象模型。它被用来研究黑腔诊断孔的出射光透过率及其变化规律。计算结果表明,主要挡光区的径向运动尺度与靶宽度可比,因而一维平板模拟近似模拟诊断孔堵口现象是合理可行的;主要挡光区的密度基本上满足r >0.2 gcm^-3的规律;等离子体层的横向膨胀使得光透过率增大,在膨胀因子为0.8时计算得到在神光II激光条件下典型黑腔的加权平均透过率为0.75。     

空腔靶激光能量沉积的数值模拟

本文采用随机模拟方法和几何光学追踪方法。研究了不同条件下空腔靶中的激光传播光路:采用线性收缩假设,考虑了激光入射时注入孔的堵口问题 激光在等离子体中吸收的物理机制,包括了逆韧致吸收和共振吸收,还考虑了反向布里渊散射对吸收的影响。在此基础上,改变靶的不同尺寸,计算了不同激光入射条件下激光能量在腔内的沉积,并对一些计算结果进行了讨论     

真空环境下激光烧蚀铝靶冲量耦合系数的数值模拟

 通过分析不同情况下激光与固态靶、气化物质的作用机理,利用激光体烧蚀模型,采用流体力学理论和1维Lagrange有限差分的计算方法,对真空条件下不同激光参数下气化物质对靶产生冲量的过程进行了数值模拟,模拟计算结果与实验测量结果、Phipps定标关系符合较好。计算结果表明,在等离子体的情况下冲量耦合系数随着激光强度增大而减小。     

超短脉冲强激光与固体靶相互作用产生超热电子的能谱研究

较详尽地描述了能对激光与靶物质相互作用所产生的超热电子进行直接测量的电子磁谱仪的建造及其相应的参量,并利用这台磁谱仪测量了超短脉冲强激光与靶物质相互作用后出射的超热电子的能谱,在5×1015W/cm2的激光强度下,超热电子的最大能量大于500keV,能谱结构呈双温Maxwell分布,能谱的峰值出现在50keV附近,超热电子的数量在相同的能量范围内远大于γ射线的数量     

基于平面孔靶对本底X光及激光挂边的研究

在神光-Ⅲ和神光-Ⅲ原型装置上基于平面孔靶研究了激光挂边及本底X光发射情况。能量卡计直接测量激光挂边份额;X光针孔相机给出本底X光发射的空间图像;平响应X光探测器测量本底X光的强度。实验结果表明:在神光-Ⅲ原型上800 m注入孔时,针孔图像中本底X光计数与黑腔漏失辐射流计数的比值约为1.2%;在神光-Ⅲ上1000 m注入孔时,平响应X光探测器测得的本底X光干扰的峰值约为2.7%,能量卡计测得的激光挂边份额约为2.6%。此外,根据神光-Ⅲ的实验参数模拟计算了激光挂边份额和本底X光的干扰。与实验结果的对比说明了该模型的正确性,可以用该模型评估激光挂边及本底X光发射情况,同时可以用该模型指导注入孔尺寸的选择。     

不同来流马赫数下激光能量形成高超声速进气道虚拟唇口的特性

用基于三维非定常可压缩雷诺平均Navier-Stokes方程的有限体积法计算了马赫数低于设计值6时一种高超声速进气道的性能参数,发现其性能存在明显下降。为提升进气道性能,将功率为15kW的激光能量注入进气道固体唇口前的流场中,形成虚拟唇口,马赫数为4.5,5.0和5.5时,计算得到来流捕获率分别提高了34%,20.6%和15.6%。绘制了不同马赫数下来流捕获率达到峰值时的流场压强云图,说明了虚拟唇口的特性及形成机制。结果表明:来流马赫数越低,来流捕获率越小,但相对于无能量注入时的来流捕获率的提升程度越明显;在不同来流马赫数条件下,通过改变激光能量引致的激波结构和位置,可达到最优状态,即激波与进气道前缘斜激波相交后的透射波打在进气道肩部位置的状态。     

脉冲激光控制高超声速进气道来流捕获

针对高超声速进气道在非设计工况下来流捕获量减少的问题,进行了激光能量沉积控制来流捕获的物理建模和数值模拟,在连续激光能量沉积和脉冲激光能量沉积两种方式下获得了进气道的性能参数。激光功率为15kW时,脉冲重复频率越高,与连续能量注入情况下的进气道性能越接近。脉冲重复频率为100kHz时,计算了脉冲方波占空比为0.1,0.2,0.3和0.4时的进气道流场,结果表明:占空比对进气道性能的影响不大;激光脉宽为500ns时,保持激光平均功率不变,当频率为200kHz和100kHz时,流场结构与连续能量注入时类似,而当频率为500kHz和25kHz时的进气捕获量都有所降低,因此,提高激光脉冲重复频率的同时,降低平均功率,不仅可以有效增大来流捕获,还可降低能耗。     

托卡马克真空室内线圈水冷管道接头强化二次流的数值研究

基于计算流体力学(CFD)理论，研究了不同曲率半径的螺旋导流片的托卡马克真空室内线圈水冷管道接头。利用湍流数值模拟方法，分析了线圈管道接头导流片曲率半径比、冷却水入口流速对线圈管道内流体平均雷诺数分布的影响。结果表明，不同导流片曲率半径比的线圈管道内的流体雷诺数分布曲线相似，平均雷诺数随入口流速的增加而增大，管道接头出口雷诺数随导流片曲率半径比的增大而减小，导流片曲率半径比小的管接头更适用于线圈水冷曲线管的二次流强化。此外，还为导流片曲率半径比为0.2的管接头拟合了管接头出口雷诺数与入口流速的关系式，为进一步研究类似于托卡马克真空室内线圈管道的曲线管接头的二次流强化提供理论基础。     

Maximum peak power generation from Q-switched lasers

We investigate the optimization of Q-switched lasers based on maximizing the laser peak power and apply the Lagrange multiplier technique to obtain the numerical solutions of the output mirror reflectivity and several key laser parameters such as the peak power and output energy. Meanwhile, according to the optimization theory described in our paper, a Nd:YAG Q-switched laser is studied experimentally and the results showed this theory is very useful in high gain-to-loss ratio laser design tradeoffs.     

Numerical calculation of the use of a concave–convex lens for shaping axisymmetric laser beams

Based on transformation matrices in meridian plane and sagittal plane, a geometrical lens design method is presented with the aim of obtaining an improved spot. A concave–convex convergent lens (CCCL) is employed as a shaping lens to focus a group of oblique laser beams from a CO₂ laser with axially symmetrical fold combination (ASFC) resonator. The cases including interference, noninterference, different wavelength, and misalignment have been analyzed. Through theoretical analysis and numerical calculation, a smaller beam radius in a specific reference plane and a smaller far-field divergence angle can be obtained.     

输出环状光束的新型激光谐振腔

提出一种输出环状光束的新型激光谐振腔,即在稳定激光谐振腔中采用外环耦合方式得到环状光束的输出。利用For-Li数值迭代算法求解此类激光谐振腔的积分方程,通过计算机编程计算了平面一凹球面稳定谐振腔的输出端平面镜在不同半径的情况下,谐振腔镜面上和衍射耦合输出场基模的振幅和相位分布。计算结果预示了当输出端平面镜半径小于通常的稳定腔的基模半径时,衍射耦合输出场有稳定的环状光束输出。实验中TEA CO2激光器采用印刷电路板预电离结构,增益长度90cm,腔长5m,球面全反射镜曲率半径20m,输出端平面镜半径4．5mm,得到了内环半径为4．5mm、外环半径为5．5mm的基模环形光斑输出。从而在理论上和实验上证实了该方案产生环状光束的可行性。     

用于MHZ重频光导开关触发的光纤分光系统设计

为了实现光导开关以MHz重复频率运行,设计了通过延迟产生MHz序列重复频率触发光的分光系统。分光系统由多根类蜂窝状排布的光纤组成并分为数组,各组光纤长度不同以产生时间序列。进行了光纤分光系统的理论计算,设计了分组程序,获得了各根光纤的输出端能量占比,实现了光纤输出端的分组设计优化。计算结果表明:当分光系统半径与激光器焦斑之比增大时,分光系统效率增高,达到一定数值后,分光系统效率趋于稳定;当激光器焦斑大小不变时,光纤层数增大,分光系统效率变小;当触发光脉冲数不变时,在一定范围内,光纤层数增大,输出端激光能量的最大相对误差变小。实验结果表明:四脉冲10 MHz分光系统实现了周期为100 ns的4个光脉冲输出,输出端能量最大相对误差6.80%,系统效率为38.07%。     

半导体激光器光束准直系统的功率耦合效率

在长距离无线光通信中，接收点光功率密度与光束发散角平方呈反比关系，为了获得小的发散角和大的功率耦合效率，要求准直系统有较大的数值孔径(NA)，但数值孔径过大会增加像差，因此合理设计功率耦合效率与准直系统的数值孔径就非常重要。该文对半导体激光器光束准直系统中功率耦合效率进行了研究，给出了半导体激光器光束功率耦合效率与k(孔径半径与孔径处等效光束半径之比)的关系表达式，并结合激光器光束准直系统，给出了半导体激光器光束功率耦合效率与准直系统数值孔径的关系表达式。该研究结论对于半导体激光器光束准直系统设计具有参考作用。     

Evolution of effective characteristics of laser beam of femtosecond duration upon self-action in a gas medium

Based on numerical solution of the nonlinear Schrödinger equation for complex envelope of the light-wave electric field strength, we study regularities in variation of effective parameters of a femtosecond laser beam (energy transfer ratio, root-mean-square radius, duration, and width of temporal spectrum) propagating in the air with formation of a single filament. We derive approximate formulas for the effective radius of the femtosecond laser beam in the regime of solitary filamentation for three characteristic zones corresponding to different stages of transient self-focusing of the beam. We also analyze the problem of effective radius of the laser beam with a nonideal Gaussian profile in the regime of multiple filamentation. At the later stages of evolution of the effective radius, for identical initial energy and dimensional characteristics of the ideal and nonideal light beams, we establish similarity of their limiting angular divergences.     

SOFC/MGT混合系统耦合特性研究

在SOFC/MGT混合分布式能源系统中,选择不同的系统参数将对SOFC乃至SOFC/MGT混合系统的输出特性、安全运行等造成很大的影响。本文建立了一个典型的SOFC/MGT混合系统计算模型,研究了透平入口温度及燃气轮机压比对混合系统性能的影响。结果表明,透平入口温度和压比增大时,系统的输出功率和效率都会下降,而透平入口...