高功率固体激光驱动器污染控制及片状放大器洁净度改进

针对高功率固体激光驱动器的安全运行,提出了覆盖驱动器建设全过程的污染控制方法,详细介绍了洁净清洗、洁净检测、洁净保护等保障污染控制效果的技术手段,并介绍了神光-Ⅲ主机装置片状放大器洁净度提升所采取的技术途径,以及片状放大器光照清洗实验中气溶胶等级随闪光灯照射次数的变化情况。实验结果表明,神光-Ⅲ主机装置的洁净水平与美国国家点火装置(NIF)接近且优于其他同类装置,洁净度的大幅提升为装置的安全运行提供了有力保障。     

神光-Ⅲ主机激光装置片状放大器洁净控制进展

针对神光-Ⅲ主机激光装置片状放大器的洁净控制采取了一系列有效措施。除了设计上更有利于洁净控制外,机械结构件表面残留不挥发性有机污染物也达到了低于1 mg/m2的水平。为了进一步提高放大器洁净度,进行了光照清洗。实验结果表明:神光-Ⅲ主机装置的洁净水平与美国国家点火装置接近,光照清洗时内部气溶胶等级维持在5 000~10 000之间,且绝大部分表面有机残留物在最初几发光照清洗中已被释放,从而得到一个干净的放大器腔体,减少了放大器运行时光学元件受污染和损伤的几率。     

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。     

神光-Ⅲ主机装置成功实现60 TW/180 kJ三倍频激光输出

2015年9月15日,由中国工程物理研究院激光聚变研究中心承担研制的神光-Ⅲ主机装置成功完成了48束激光三倍频180 kJ/3 ns、峰值功率60 TW的输出测试实验,标志着神光-Ⅲ主机装置已全面建成并达到设计指标,成为现有输出能力世界排名第二、亚洲排名第一的惯性约束聚变激光驱动器。神光-Ⅲ主机装置可输出48束阵列化的大口径高功率脉冲激光（分为6个束组,每个束组为一个42的光束阵列）,主要由前端、预放、主放、测量与光束控制、靶场、计算机集中控制等六大系统组成。神光-Ⅲ主机装置的研制,凝集了我国在光学、激光、脉冲功率、精密机械、快电子学、自动控制、化学清洗、超精密加工等多个学科领域的顶尖技术成就,堪称中国光学工程界的奇迹。神光-Ⅲ主机装置采用腔内四程放大+变口径90翻转U型反转器+助推三程放大的总体构型,在未使用大口径隔离组件的条件下,采用焦斑控制、精密准直、锥管镜面空间滤波及杂散光管理等技术措施,实现了基频光十万倍增益、10 kJ量级输出状态下的自激振荡抑制与反激光规避,在系统具备50%以上透过率的前提下确保了装置的运行安全,大大提高了装置的性价比。神光-Ⅲ主机装置的建设过程中攻克了高精度种子光源、高品质激光束的预放大、精密同步、辐射定标损伤检测、全光路精密波前校正、甚多束光路自动准直、自动化靶瞄准定位、计算机集中控制、高效谐波转换、一搁准精密安装、超精密光学加工、缺陷控制损伤阈值提升等多项光学工程技术难关,确保了装置具备优秀的技术指标性能。神光-Ⅲ主机装置打破了激光系统串行调试的规律,基于基准体系技术,通过不同束组间的错级并行,实现总体集成工作的满负荷运转,确保了装置建设的总体进度和集成效率。装置从第一个光机模块进场到基本完成集成调试,用时仅四年半,创造了又一个中国速度。在工程建设过程中以自主研发的传输放大动力学设计软件、激光泵浦动力学软件、杂散光树叉追迹软件等为基础,融合了部分光学设计商用软件,构建了覆盖光学、结构、电气、控制等多个学科的高功率激光装置数字化设计平台,基本实现了装置设计的全面数字化。工程建设过程中形成的质量、安全、进度控制体系保证了工程顺利进行。神光-Ⅲ主机装置的全面建成,标志着我国在大型激光驱动器方面的总体设计、总体集成、精密装校、加工制造、光学检测、关键技术等核心能力实现了体系化发展与成熟,面向更大规模的激光驱动器研制的光学工程体系已基本形成。     

神光-Ⅲ装置主放大系统构型及输出能力实验研究

采用神光-Ⅲ原型装置“多路放大器级联”的方式,构建了神光-Ⅲ主机装置主放大器构型验证平台。在此平台上开展了小开关隔离能力、主放大系统静态透过率、主放大系统隔离比等性能测试,并且考核了大能量发射时的主放大系统基频光输出能力。结果表明：输出基频光的平均通量达到了神光-Ⅲ主机装置的设计水平,同时验证了神光-Ⅲ主机装置主放大系统构型设计的可行性。     

神光-Ⅲ装置主放大系统构型及输出能力实验研究北大核心CSCD

采用神光-Ⅲ原型装置"多路放大器级联"的方式,构建了神光-Ⅲ主机装置主放大器构型验证平台。在此平台上开展了小开关隔离能力、主放大系统静态透过率、主放大系统隔离比等性能测试,并且考核了大能量发射时的主放大系统基频光输出能力。结果表明:输出基频光的平均通量达到了神光-Ⅲ主机装置的设计水平,同时验证了神光-Ⅲ主机装置主放大系统构型设计的可行性。     

神光-Ⅲ主机装置成功实现60TW/180kJ三倍频激光输出北大核心CSCD

2015年9月15日,由中国工程物理研究院激光聚变研究中心承担研制的神光-Ⅲ主机装置成功完成了48束激光三倍频180kJ/3ns、峰值功率60TW的输出测试实验,标志着神光-Ⅲ主机装置已全面建成并达到设计指标,成为现有输出能力世界排名第二、亚洲排名第一的惯性约束聚变激光驱动器。     

高功率激光放大器脉冲的整形设计

针对惯性约束聚变实验对激光驱动器脉冲波形的要求,将优化控制模型理论运用于计算激光放大器输入脉冲的预补偿波形,得到了与实验基本一致的结果。同时给出了我国新一代高功率激光器“神光 Ⅲ”装置主放大器级输入脉冲波形的设计要求。     

高功率激光放大器脉冲的整形设计

 针对惯性约束聚变实验对激光驱动器脉冲波形的要求,将优化控制模型理论运用于计算激光放大器输入脉冲的预补偿波形,得到了与实验基本一致的结果。同时给出了我国新一代高功率激光器“神光 Ⅲ”装置主放大器级输入脉冲波形的设计要求。     

400 mm口径4×2组合式片状放大器在线洁净度实验研究

在氙灯放电泵浦过程中,片状放大器片腔内材料在高强度氙灯光辐照下,存在显著的热解过程,产生大量的μm级悬浮粒子。针对放大器在线洁净度控制，采取了包括选用有利于洁净控制的材料、消除盲孔与焊缝、深度酸洗刻蚀、高压喷淋清洗和最终的光照清洗等系列有效措施。实验研究结果表明：经过100发次光照清洗，片腔内气溶胶颗粒处于300～1000之间，接近美国国家点火装置(NIF)洁净水平；发次运行完成后，利用约0.4 m/s的氮氧混合气体对放大器腔体进行吹扫，气溶胶颗粒在2 min内可恢复至0值。     

兆焦耳级高功率激光驱动器光机结构设计

兆焦耳级高功率激光驱动器是实现激光惯性约束聚变点火的必备手段,光机结构是兆焦耳激光装置的重要组成部分。对美国国家点火装置（NIF）和法国兆焦耳激光装置（LMJ）的总体结构进行了概述和分析,对神光-Ⅲ激光装置的结构特点进行了介绍,并对重要光机模块的结构特点及安装使用情况进行了分析,对总体集成技术和A6的安装集成情况进行了总结。     

神光-Ⅲ主机装置靶场光传输系统结构设计

系统介绍了神光-Ⅲ主机装置靶场光传输系统的结构设计,光传输系统的关键性能包括稳定性、精确性及洁净性,为保证苛刻的稳定性要求,提高结构动力学稳定性的同时提出一种新的稳定性分析方法;通过设计在线可更换单元、运动学支承结构和采用低应力夹持技术实现在线精密调节和快速安装定位;同时在设计、制造和安装过程中建立洁净理念。目前安装完成的束组的测试结果表明,主机装置靶场光传输系统的结构设计满足装置设计要求。     

神光-Ⅲ原型装置两极驱动的均匀照明研究

梳理了两极驱动的研究思路和神光-Ⅲ原型装置两极驱动的研究内容;提出了针对靶丸表面均匀照明设计的光束近似原则,基于该原则建立了"逐次递进"的方法,优化设计了不同条件下靶丸表面均匀照明的激光条件,并对设计方法进行了数值模拟分析,设计内容在神光一III原型装置上进行了初步的实验验证,结果进一步支持了靶丸表面均匀照明设计的合理性,研究结果为后续的实验设计和理论研究提供了指导方向。     

神光Ⅲ主机装置X光静态成像系统研制

针对神光Ⅲ主机装置的靶室结构和打靶方式要求,基于针孔成像原理,成功研制出应用于神光Ⅲ主机装置的X光静态成像系统。该系统采用模拟靶组件进行离线瞄准,并可进行在线轴向和指向调节,调节精度分别为81 m、40 m。针孔组件和滤片组件的自动更换使系统实现了真空环境下的在线快速切换和运行。同时使用有限元软件ANSYS对系统的变形与应力进行模拟分析以保证系统的可靠性。系统搭载X光CCD在神光Ⅲ主机装置上进行激光打靶考核,实验结果表明,该系统达到神光Ⅲ主机装置使用要求。