几项新技术在“闪光二号”加速器上的应用

 为追踪国际上脉冲功率技术的发展方向,在“闪光二号”加速器上开展了水介质形成线并联技术、多级多通道气体开关技术和同步触发技术等研究。经过3维结构下电场分布的模拟计算和绝缘设计,采用3根6 Ω小水线并联组成了2 Ω水介质形成线,研制成功了作为主开关的3 MV多级多通道气体触发开关,并实现了3个多级多通道气体开关的并联运行;采用工作时延446 ns的同步触发系统实现了Marx发生器与主开关的延时同步运行。真空负压下的涡流循环冲刷消除水中气泡技术应用于水介质形成线上,有效消除了并联形成线汇聚结构处的气泡,提高了加速器运行的安全性。经过调试后,加速器重新获得了稳定的运行状态,几项新技术的应用获得成功。     

MC55低阻抗强流脉冲电子加速器研制

介绍了MC55低阻抗强流脉冲电子加速器的结构及主要技术参数,给出了加速器的初步调试结果。该加速器由Marx发生器、10 Ω水介质单筒形成线、高压自击穿气体开关、水介质传输线和真空二极管组成。经过初步调试,该加速器可以产生电压500 kV,电流50 kA,脉冲宽度50 ns的强流电子束。目前MC55加速器已应用于同轴虚阴极振荡器高功率微波源的实验研究。     

MC55低阻抗强流脉冲电子加速器研制

介绍了MC55低阻抗强流脉冲电子加速器的结构及主要技术参数,给出了加速器的初步调试结果。该加速器由Marx发生器、10Ω水介质单筒形成线、高压自击穿气体开关、水介质传输线和真空二极管组成。经过初步调试,该加速器可以产生电压500 kV,电流50 kA,脉冲宽度50 ns的强流电子束。目前MC55加速器已应用于同轴虚阴极振荡器高功率微波源的实验研究。     

闪光二号加速器气体主开关同步触发系统

 设计并调试了闪光二号加速器气体主开关同步触发系统。该系统主要由同步控制部分和高压脉冲形成部分构成。整个触发过程包括同步信号的引出、整形滤波、快速比较电路传输、前级脉冲形成、高压脉冲产生。通过对同步信号的整形处理,解决了发生器电流上的高频信号干扰问题;经过快速比较电路和前级脉冲后,选取了同步信号开始工作的时间点,并形成十几V的触发信号;高压脉冲形成部分主开关采用场畸变结合预电离的方式,该结构的气体开关时间响应为50 ns,抖动小于5 ns,满足使用要求。调试结果表明:该系统输出脉冲电压幅值100 kV,前沿小于10 ns,系统的工作时延440 ns,抖动13.5 ns;可通过增加电缆长度来控制触发信号到达气体开关的时刻,实现气体主开关与Marx发生器的延时同步工作。     

闪光二号加速器气体主开关同步触发系统

设计并调试了闪光二号加速器气体主开关同步触发系统。该系统主要由同步控制部分和高压脉冲形成部分构成。整个触发过程包括同步信号的引出、整形滤波、快速比较电路传输、前级脉冲形成、高压脉冲产生。通过对同步信号的整形处理,解决了发生器电流上的高频信号干扰问题;经过快速比较电路和前级脉冲后,选取了同步信号开始工作的时间点,并形成十几V的触发信号;高压脉冲形成部分主开关采用场畸变结合预电离的方式,该结构的气体开关时间响应为50 ns,抖动小于5 ns,满足使用要求。调试结果表明:该系统输出脉冲电压幅值100 kV,前沿小于10 ns,系统的工作时延440 ns,抖动13.5 ns;可通过增加电缆长度来控制触发信号到达气体开关的时刻,实现气体主开关与Marx发生器的延时同步工作。     

强流脉冲相对论电子束加速器：—闪光二号

本文介绍了在西北核技术研究所建成的一台低阻抗脉冲电子束加速器——闪光二号。它主要用于核辐射效应模拟。加速器系统由Marx发生器、水介质同轴线和二极管三大主机部件以及十几个配套设备所组成。文中给出了在允电电压±55kV和±70kV两个电压等级下调试和运行的结果。最大输出电流600kA,管电压1.2MV。目前该加速器已用于电子束和X射线的实验研究。     

闪光二号—一台太瓦级脉冲电子束加速器及其应用

简要评述了高功率脉冲相对论电子束加速器国内外发展情况，指出西北核技术研究所研制成功的闪光二号加速器是我国在这一领域的重大进展，描述了闪光二号加速器的Ｍａｒｘ产生器水介质同轴线和二极管的工作原理、结构及其参数，介绍了１９９０年以来，在这台加速器上，在电子不对材料结构的热力学效应，泵浦准分子激光和产生高功率微波等方面所进行的实验研究。     

“闪光二号”加速器适应性改造

针对系统电磁脉冲效应研究需求,项目组对闪光二号加速器进行了适应性改造,以便于产生脉冲硬X射线。主要采用二次成形的水线结构,重点进行了水开关设计,并完成了实验调试。装置输出电压650 kV~1.3 MV稳定可调,脉冲宽度60 ns,前沿由改造前的80 ns缩短至改造后的30 ns,在国内首次成功驱动串级二极管,产生前沿29 ns、射线宽度约53 ns的脉冲硬X射线。     

“闪光二号”加速器适应性改造北大核心CSCD

针对系统电磁脉冲效应研究需求,项目组对"闪光二号"加速器进行了适应性改造,以便于产生脉冲硬X射线。主要采用二次成形的水线结构,重点进行了水开关设计,并完成了实验调试。装置输出电压650kV^1.3 MV稳定可调,脉冲宽度60ns,前沿由改造前的80ns缩短至改造后的30ns,在国内首次成功驱动串级二极管,产生前沿29ns、射线宽度约53ns的脉冲硬X射线。     

强流电子束加速器运行过程电磁辐射的实验研究

强流电子束加速器运行时,临近的计算机和示波器会发生黑屏,这是由于在该过程中产生了较强的电磁辐射干扰。采用实验研究的方法,对实验室研制的强流电子束加速器产生的电磁辐射进行了测量和分析。结果表明：强流电子束加速器产生的电磁辐射主要来源于初级气体开关触发、初级气体开关导通以及气体主开关自击穿导通3个过程。其中,初级气体开关导通时辐射的电磁波强度较大,其强度最大处在与开关相同高度的位置。此外,强流电子束加速器在运行过程中的电磁辐射为低频辐射,主频为21 MHz。     

高功率二极管列阵泵浦固体激光泵浦耦合优化设计

高功率二极管阵列泵浦固体激光系统的核心在于泵浦耦合技术,泵浦耦合直接决定了系统的成本、增益能力、增益均匀性、泵浦引发动态波前畸变和泵浦引发动态光束漂移等关键问题。通过对用于高功率二极管列阵泵浦固体激光系统泵浦耦合优化设计的3维光线追迹方法的研究,从二极管发光远场属性出发,建立其理论计算模型,对高功率激光二极管阵列端面泵浦大口径放大器的一种新型耦合方式——二极管列阵拟球面排列、空心镀银导管耦合进行了优化设计,并开展了泵浦耦合效率、泵浦场均匀性、泵浦场传输性等实验研究,实现了72%耦合效率、5 mm内80%传输效率的均匀平顶泵浦耦合场输出,理论计算与实验结果符合较好。     

高功率二极管列阵泵浦固体激光泵浦耦合优化设计

 高功率二极管阵列泵浦固体激光系统的核心在于泵浦耦合技术,泵浦耦合直接决定了系统的成本、增益能力、增益均匀性、泵浦引发动态波前畸变和泵浦引发动态光束漂移等关键问题。通过对用于高功率二极管列阵泵浦固体激光系统泵浦耦合优化设计的3维光线追迹方法的研究,从二极管发光远场属性出发,建立其理论计算模型,对高功率激光二极管阵列端面泵浦大口径放大器的一种新型耦合方式——二极管列阵拟球面排列、空心镀银导管耦合进行了优化设计,并开展了泵浦耦合效率、泵浦场均匀性、泵浦场传输性等实验研究,实现了72%耦合效率、5 mm内80%传输效率的均匀平顶泵浦耦合场输出,理论计算与实验结果符合较好。     

Optimization algorithm for the pump structure of diode side-pumped solid-state lasers

The pump structure greatly influences the characteristics of a diode side-pumped solid-state laser (DSPSSL). To achieve high absorption efficiency and a homogeneous pump-beam distribution simultaneously, a systemic algorithm has been established to optimize the pump structure, where multiple reflections occur on the internal wall of the reflector inside the pump chamber. The absorption efficiency and the deviation of the absorption distribution are both evaluated for a typical solid-state laser medium. A scheme for identifying an ideal pump configuration was finally obtained from several determination procedures, in which all pump structure parameters were taken into account. The experimental results demonstrate that the approach described in this paper is effective for the design of DSPSSL systems with both high output power and good beam quality.     

激光二极管泵浦双频固体激光器

研制了0~1.5GHz频差的LD泵浦双频固体激光器。利用端面泵浦和F-P标准具的选模作用得到单频连续输出,在单频基础上将λ/4波片加入谐振腔中,造成本征光频率分裂,实现频差连续可调的双频激光输出。采用琼斯矩阵分析光在腔内的本征值及本征向量,实现了定量分析模在腔内的相位延迟和偏振状态,定量计算双频频差大小。     

二极管泵浦Nd:YAG圆片激光技术研究

介绍了热容激光技术的发展历史及现状,介绍了固体激光器热容方式工作的基本原理,报道了二极管泵浦NdYAG圆片激光器热容方式工作的实验结果.用热像仪测量了激光器工作时增益介质通光面上的温度分布特性;采用干涉测量的方法测量了工作中的增益介质的与光束传输方向相垂直的方向上的折射率分布特性;结果表明片状固体增益介质热容方式工作对振荡光束波前畸变影响很小.给出了与光束传输方向相垂直的截面上增益介质的荧光分布.得到输出平均功率达47.5 W,此时的光-光转换效率为17%.     

Self-compensation of thermal lens in high-power diode pumped solid-state lasers

We present a comprehensive model to describe the optic-thermal coupling in the diode pumped solid-state lasers (DPSSL). The thermal transition of particles at the upper laser level leads the heat-generation of laser crystals to depend on shape of the laser beam, while the laser field is also influenced by the temperature because of the thermal excitation of doped particles among various Stark levels. These effects, together with the usual thermal-optic effect that induces a fluctuation of the refraction index by an inhomogeneous temperature distribution, cause a complicated coupling between the laser field and the temperature field. We show that the optic-thermal coupling plays an important role in high-power DPSSL with larger size beam. That effect may yield a self-compensation for the thermal lens and improve the beam quality.     

High peak power Nd:YAG laser pumped by 600-W diode laser stack

The Q-switched laser with triangle slab made of Nd:YAG crystal side pumped by 600-W quasi-cw diode laser stack has been designed. The multimode (M²≈2.6) output energy of about 42 mJ was demonstrated in free running mode for110-mJ pump energy. In Q-switch experiments, the KDDP Pockels cell was placed between the slab and rear mirror in plane-plane cavity with output coupler of 84% transmission. The energy of 8 mJ in 2.1-ns pulse duration was obtained for near TEM₀₀ output beam. For passive Q-switching by means of Cr:YAG crystal of 12.6% unsaturated transmission, the energy of 5.1 mJ in 2.5-ns pulse duration was obtained for output beam close to TEM₀₀ mode.     

固体激光器与光纤激光器对光子晶体光纤棒耦合的分析与对比

耦合效率的高低与耦合后光斑的好坏直接影响着光子晶体光纤棒的放大效果,因此需要对种子光的耦合效果进行研究,选择合适的激光器作为种子源。本文对光子晶体光纤棒在固体激光器与光纤激光器两种情况下的耦合效率进行了理论分析;模拟计算了两种激光器情况下耦合效率的变化规律以及对准误差对耦合效率的影响;选择合适的透镜或透镜组,使用两种激光器对光子晶体光纤棒进行了耦合实验;对比两种激光器的耦合效果可知:固体激光器的耦合效率最高只能达到62.4%,而光纤激光器的耦合效率可以达到80%以上;在光纤激光器耦合情况下,对不同功率注入时耦合效率,以及耦合后光斑进行了实验分析。得到的实验结果对后续光纤棒的放大实验具有指导作用。     

12 kW占空比为15%的二极管泵浦激光模块

开展了高储能、高占空比二极管泵浦激光模块的研究工作,针对影响激光介质增益分布的相关因素进行了理论和实验研究,研制出了高占空比、高储能二极管泵浦激光模块.该模块采用了144个激光二极管对直径为8 mm的NdYAG进行泵浦, 获得了均匀的增益分布和单脉冲能量700 mJ的储能.在该研究中,数值模拟了激光介质的增益分布,确定了激光模块的耦合结构,针对二极管线阵的高功率排热需求,研制了高效率微通道冷却结构,并完成了激光模块内部结构的模块化设计和激光模块性能参数的测试.     

Analytical modelling of end thermal coupling in a solid-state laser longitudinally bonded by a vertical-cavity top-emitting laser diode

The intrinsic features involving a circularly symmetric beam profile with low divergence, planar geometry as well as the increasingly enhanced power of vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) have made the VCSEL a promising pump source in direct end bonding to a solid-state laser medium to form the minimized, on-wafer integrated laser system. This scheme will generate a surface contact pump configuration and thus additional end thermal coupling to the laser medium through the joint interface of both materials, apart from pump beam heating. This paper analytically models temperature distributions in both VCSEL and the laser medium from the end thermal coupling regarding surface contact pump configuration using a top-emitting VCSEL as the pump source for the first time. The analytical solutions are derived by introducing relative temperature and mean temperature expressions. The results show that the end contact heating by the VCSEL could lead to considerable temperature variations associated with thermal phase shift and thermal lensing in the laser medium. However, if the central temperature of the interface is increased by less than 20~K, the end contact heating does not have a significant thermal influence on the laser medium. In this case, the thermal effect should be dominated by pump beam heating. This work provides useful analytical results for further analysis of hybrid thermal effects on those lasers pumped by a direct VCSEL bond.