激光聚变主放大器能源系统

激光聚变驱动器要求其能源系统为闪光灯泵浦的放大器提供脉冲能量。传统的能源系统往往需要一些列独立的小型能源单元，而NIF和“神光”Ⅲ原型则采用单个模块储能高达1．6MJ和600kJ的新型能源模块。而且对激光主放大器和功率放大器只需一种规格的能源模块，这就极大地降低了硬件价格和安装费用，新型的能源模块还带有预电离／灯检查系统，其优点是多方面的。     

无水冷LD侧面泵浦Nd∶YAG固体激光放大器

通过对行波放大器储能及小信号增益进行理论计算,模拟出输出激光特性,即随着放大器泵浦电流的增加,放大器增益介质内储存能量和小信号增益系数快速增长,提取效率达到76%以上.输出能量随放大器泵浦电流的增加,呈线性增长趋势,在泵浦电流为80A时,输出光能量逐渐饱和,最大输出能量为798mJ.实验中,放大器入射光源采用脉冲能量为350mJ、重复频率为10Hz、脉宽为10ns的脉冲激光,放大器中的Nd∶YAG晶体棒尺寸为Φ7.5mm×134mm,Nd~(3+)的掺杂浓度为1.1%,泵浦功率最大24kW,使用三个最大功率为66 W的半导体制冷器进行半导体热电制冷,在重复频率为10Hz,泵浦电流为80A,泵浦脉冲宽度为200μs时,获得了最大脉冲能量为700mJ、脉冲宽度为10ns的激光输出,通过光束质量诊断仪M-200S测得输出光束在水平和垂直两个方向的光束质量分别是7.9和12.4.     

大信号无水冷LD侧泵Nd:YAG激光放大器

为了获得高激光脉冲能量,设计了高能脉冲激光放大系统。对该放大系统的输出能量、脉冲宽度、能量稳定度、输出脉冲宽度等进行了研究。首先,进行四能级激光速率方程的分析递推出泵浦能量和储存能量、增益系数等的关系。接着,进行了激光放大器的系统设计,然后进行实验验证,最后,实验还进行了输出激光的性能测试。实验结果表明:在Nd∶YAG晶体棒尺寸为?8 mm×100 mm、Nd~(3+)的掺杂浓度为1.1%、泵浦功率最大24 kW、重复频率为10 Hz、泵浦电流为80 A、泵浦脉宽为200μs的条件下,得到脉冲宽度10 ns、最大脉冲能量1 050 mJ的脉冲激光,输出能量不稳定度3%,通过刀口法测得水平和垂直方向光束质量M~2分别是3.9和4.8。满足了高能量、无水冷、稳定可靠等要求。     

高功率激光放大器中的能量传输

片状放大器系统是高功率激光装置最主要的能量和功率来源，它主要解决驱动器的纵向能量传输和转换问题。放大器中能量转换主要通过储能组件、脉冲氙灯、泵浦腔和增益介质等单元部件实现。为了达到最佳的性能和最高的效率，必须使放大器每一个单元部件设计尽量最优，并保持较高的可靠性。影响储能的主要因素见图1。放大器的设计和优化，关联到众多元器件的协同配合，在各单元的设计中必须考虑到对系统的影响和指标分配。放大器的设计需要是在总体设计的框架下，以提高系统的储能效率、增益能力、降低热效应为目标，结合元器件的可靠性水平，进行系统设计。同样，合理均衡的能量转换和传输过程，也是决定放大器稳定可靠、高效运行的前提和保障。     

基于超导脉冲变压器的连续脉冲电源模块化研究

为了探索连续电磁发射用电感储能连续脉冲电源,首先对基于单模块高温超导脉冲变压器的连续脉冲电源电路及其实验验证结果进行了分析,然后在单模块的基础上设计了多模块的电路拓扑和多模块超导脉冲变压器线圈模型,最后利用多模块脉冲电源的设计参数,进行了连续脉冲成形仿真。通过构建3组环形结构,每组12个模块的高温超导脉冲变压器,在0.1Hz的固定工作频率下,系统总储能5.7MJ,负载电流脉冲峰值可达640k A,放电结束后原边电感回收的剩余能量占总储能的44.4%。仿真结果证明了脉冲电源模块化方案的可行性,在放电结束后的系统剩余能量能够有效回收利用,不过断路开关电压仍然较大,需要较多的断路开关串联使用。     

大口径端泵片状放大器的泵浦耦合系统（英）

为了满足片状激光放大器对泵浦功率密度的要求,设计并加工了高缩束比的耦合系统。根据LD的发光特性,将输出功率为80 kW的LD阵列进行拟球面排列,采用正交柱面透镜配合空心导光管进行泵浦耦合,将发光面积为330 mm85 mm的泵浦光,在输出口处压缩至18 mm18 mm的口径,耦合系统的缩束比高达86∶1。模拟计算表明,该耦合系统的耦合效率对导光管反射板的反射率依赖性较低。实验测量该耦合系统的效率为84.2%,输出口处泵浦光场快慢轴的调制度分别为1.30和1.18,且脱离耦合系统后的泵浦光传输8.5 mm后,依然可以保持泵浦光场的轮廓。该耦合系统在效率、泵浦场均匀性、传输性等方面均满足端面泵浦的片状放大器对泵浦耦合系统的要求。     

大口径端泵片状放大器的泵浦耦合系统（英文）

为了满足片状激光放大器对泵浦功率密度的要求,设计并加工了高缩束比的耦合系统。根据LD的发光特性,将输出功率为80kW的LD阵列进行拟球面排列,采用正交柱面透镜配合空心导光管进行泵浦耦合,将发光面积为330 mm×85mm的泵浦光,在输出口处压缩至18mm×18mm的口径,耦合系统的缩束比高达86∶1。模拟计算表明,该耦合系统的耦合效率对导光管反射板的反射率依赖性较低。实验测量该耦合系统的效率为84.2%,输出口处泵浦光场快慢轴的调制度分别为1.30和1.18,且脱离耦合系统后的泵浦光传输8.5mm后,依然可以保持泵浦光场的轮廓。该耦合系统在效率、泵浦场均匀性、传输性等方面均满足端面泵浦的片状放大器对泵浦耦合系统的要求。     

二极管泵浦Nd:YAG棒双通放大器技术

二极管泵浦NdYAG棒双通放大器采用两个峰值功率6.5 kW激光泵浦模块作为泵浦源.每个激光泵浦模块由81个二极管激光器组成,NdYAG棒直径为6 mm,Nd掺杂质量分数1%.在两个封装方式和结构一致的激光泵浦模块之间采用光学像传递和插入90°石英旋转片进行退偏补偿.在重复频率400 Hz,谐振腔输出单脉冲能量6 mJ时,双通输出400 mJ,激光器光-光转换效率为12.3%,光束质量4.6,脉宽15 ns.     

1J高光束质量免水冷脉冲Nd:YAG激光器

研制了一种TEC制冷LD侧泵高能量、高光束质量、电光调Q全固态Nd∶YAG激光器。在主振荡器中晶体棒的尺寸为φ7 mm×100 mm,Nd原子数比例为1.1%,LD泵浦的最大峰值功率为15 kW,在重复频率为10 Hz时,获得了350 mJ输出能量,脉冲宽度为9.7 ns,光束质量因子M~2在水平和垂直方向分别为3.3和3.8。使用主振荡功率放大结构,提高了最终的输出功率。第一级放大器Nd∶YAG晶体棒尺寸为φ7.5 mm×134 mm,在输出重复频率10 Hz、泵浦电流80 A、泵浦脉冲宽度200μs时,得到最大单脉冲能量700 mJ,脉冲宽度10 ns。第二级放大器Nd∶YAG晶体棒尺寸为φ8 mm×100 mm,泵浦电流为80 A。最终我们获得了最大的单脉冲能量1 085 mJ,脉冲宽度10 ns,能量不稳定度小于3%,测量的光束质量因子M~2在水平和垂直方向分别为3.9和4.8,实现了焦耳级高光束质量Nd∶YAG激光器的小型化、无水冷化。     

大口径LD泵浦的激光放大器热沉积特性

 通过分析LD阵列端面泵浦片状放大器的工作特点，建立了对增益介质Nd:YLF进行热特性研究的有限元模型。针对泵浦能量空间均匀分布、高斯分布、超高斯分布三种情况，计算出了LD泵浦功率56 kW，脉冲宽度520 μs，重复频率10 Hz状态下晶体瞬时3维温度和热应力分布。研究结果表明：由于脉冲工作方式，晶体各节点温度随时间呈锯齿形变化，经过一段时间后吸热和冷却效果达到平衡，介质温度呈周期性变化；在相同泵浦峰值功率条件下，超高斯泵浦能量分布引起的温升和热应力最小，其最大值分别为103.3 ℃和47.6 MPa；有效泵浦功率密度达到10 kW/cm²量级时，介质极可能发生热致断裂。     

2.0 MJ脉冲功率源的500 kA气体开关系统

介绍了用于2.0 MJ激光泵浦源的新型高功率闭合开关系统的主要功能部件及其设计、研制和测试过程,分析给出了该气体开关系统的关键器件设计所依据的数学原理。在2.0 MJ电容储能的模拟脉冲电源平台上的实际测试表明,该气体开关系统的峰值通流能力达到500 kA,单次放电转移电荷量不低于150 C,累积寿命超过200 kC,理论上能同时支持20对（40只）氙灯工作。开关本体的石墨电极头还可以更换,能进一步延长寿命。该气体开关系统的总体性能接近同期国外同类型产品的指标要求。     

高功率激光片状放大器中自发辐射放大研究

 采用理论模拟和实验研究相结合的方法，研究了高功率激光片状放大器中的自发辐射放大(ASE)效应。建立了一套较完整的包含空间和时间的3维ASE模型，分析了不同电压、不同储能分布和不同泵浦时刻、不同增益长度积条件下ASE效应对放大器储能效率和小信号增益系数的影响。对4×2×3组合式放大器的计算结果表明：随着泵浦电压升高，ASE效应明显加强；23kV泵浦电压下，ASE效应造成的平均储能下降210%，小信号增益系数损耗为16.62%，增益不均匀性为7.44%；增益长度积可以作为判断ASE效应的依据，其值越大，ASE效应越强。     

固体激光装置能源系统建模及故障分析

能源系统(PCS)为固体激光装置片状放大系统提供匹配的电脉冲泵浦能量,涉及到高压、大电流的充放电过程,在这个过程中可能发生电容器短路、高低压母排短路等灾难性故障。针对上述情况,建立了能源系统及其三种主要故障的数学模型;通过仿真计算分析了氙灯负载非线性特性对系统模型的影响,提出了加入补偿参数的修正模型,并通过实验验证了其有效性;分析了故障情况下关键元件(阻尼电感、调波电感、储能电容)的耐受能力以及保护措施。     

4.8MJ脉宽调制型励磁电源设计

利用脉宽调制技术,设计了一台为高功率微波源提供导引磁场的脉宽调制型励磁电源,它可在励磁线圈中产生一定持续时间的准稳态强磁场。励磁电源的储能部分采用容量15 F、最高充电电压800 V的储能密度较高的超级电容器,最大储能为4.8 MJ,内阻小于0.25Ω。在储能电容充电645 V的情况下,对电感约为60 mH、电阻约0.40Ω的励磁线圈进行了励磁实验,获得了持续时间为1.9 s、幅值为900 A准稳态电流,电流波动幅度为5%,对应线圈中的最大轴向磁场为2.2 T。实验结果与理论计算基本一致,表明所研制的励磁电源达到了设计要求。     

紧凑型模块化强激光脉冲能源系统

强激光技术是近年来物理学研究中的活跃领域，以电容器为储能单元的大功率能源系统是强激光装置的重要组成部分，它为氙灯负载提供满足能量、功率和波形要求的激励脉冲。     

高功率LD阵列泵浦激光器小型化研究

为满足一些武器装备对激光系统小型化及输出激光光斑均匀性较高的要求,通过设计LD侧面对称半环状泵浦的泵浦方式,使得输出的激光光斑形状基本为圆形,激光光斑的均匀性有了较大提高.采用凹面全反射镜补偿热效应以及设计紧凑激光谐振腔型,在注入电流60 A、频率为20 Hz时,得到平均单脉冲能量为96 mJ (脉冲能量波动小于6%)、脉宽为10 ns、发散角为3 mrad的近似圆形激光输出,激光系统在高温50℃时工作稳定.     

高功率固体激光驱动器能源系统线路结构优化实验研究

 高功率固体激光驱动器能源系统主要为闪光灯提供脉冲能量。在对能源系统的研究中,通过采用具有预电离技术的电容器一端接地的电路结构,选用新品低损耗电缆及其它措施,有效地抑制了电磁干扰和地电位抬高,提高了电路的能量转换效率,从而满足了惯性约束聚变驱动器对能源系统的要求。尤其加预电离后,闪光灯放电电流波形发生变形有利于提高放大器效率的变化。     

基于GaSe和GaSe_(0.7)S_(0.3)单晶的单脉冲CO_2激光倍频器(英文)

描述了使用电感储能发生器和半导体转换开关泵浦的工作波长为10.6μm的高效CO2激光器。给出了激光泵浦的非线性晶体GaSe和GaSe0.7S0.3的二次谐波振荡的实验数据和理论估算结果。结果显示,GaSe晶体在输入能量为180mJ时,最大能量转换效率为0.38%,倍频激光的峰值功率为8 kW。     

基于GaSe和GaSe0.7S0.3单晶的单脉冲CO2激光倍频器

描述了使用电感储能发生器和半导体转换开关泵浦的工作波长为10.6μm的高效CO2激光器。给出了激光泵浦的非线性晶体GaSe和GaSe0.7S0.3的二次谐波振荡的实验数据和理论估算结果。结果显示,GaSe晶体在输入能量为180mJ时,最大能量转换效率为0.38%,倍频激光的峰值功率为8 kW。     

基于YBCO的3MJ超导储能线圈模型样件的测试

高温超导储能磁体(HTS-SMES)是超导在电力系统中的重要应用之一。项目设计的3MJ级SMES装置采用YBCO高温超导带材绕制为16组线圈饼,每组线圈饼由8个双饼线圈组成,工作电流超过500A。文中选取3MJ储能线圈中的1个双饼作为模型样件,在完成该模型样件制造及装配后,对其进行了77K液氮环境下的临界电流、磁场分布、应力应变等项目的测试,测试结果满足测试样件的设计条件,可以为工程化SMES装置的设计和运行提供参考。