光学积分器对太阳模拟器辐照均匀性的影响

光学积分器是太阳模拟器实现均匀辐照的关键光学器件,介绍了光学积分器的组成及其工作原理,阐述了方位偏移误差和倾斜偏移误差对辐照均匀性的影响。根据光学积分器的工作原理,利用软件Lighttools将两种光轴一致性误差对辐照均匀性造成的影响进行了仿真分析。结合实验结果表明,倾斜偏移误差相对方位偏移误差对系统辐照均匀性的影响更为严重。分析光轴一致性误差,可为光学积分器微调机构的设计和实际装调太阳模拟器提供理论依据。     

高倍聚光太阳模拟器的设计

研究了一种高倍聚光、高均匀性太阳模拟器,它主要由短弧氙灯、椭球聚光镜、高速快门和积分器构成,辐射功率超过5 kW,辐射峰值超过1 800个太阳常数（标准AM1.5∶1太阳常数=1 kW/m2）。介绍了该模拟器的光学设计,主要工程特点和仿真结果。应用蒙特卡洛光线追迹技术优化几何配置,以使光源到目标面的辐射能量转换效率最大化。仿真结果显示：在直径20 mm的圆形目标区域其平均辐射超过1 000 kW/m2,相应的辐照不均匀度小于6%。利用该装置模拟了高倍聚光太阳系统的辐射特性,为研究高效率太阳能电池的热化学过程和测试先进的高温材料提供了实验平台。     

氙灯光源太阳模拟器辐照衰减器设计方法

针对应用于太阳模拟器辐照衰减器设计上的不足,提出一种新的衰减器设计方法,旨在提高其辐照均匀性.基于光学扩展量计算衰减器上的网孔面积,对会聚光路的辐射通量进行调制;利用聚光镜环带法,理论上分析衰减器上的辐射分布;利用网孔非均匀分布的结构对会聚光路的辐射分布进行调制,给出具体设计参数;对比分析了网孔均匀分布和非均匀分布对辐...     

高倍聚光太阳模拟器的设计

研究了一种高倍聚光、高均匀性太阳模拟器,它主要由短弧氙灯、椭球聚光镜、高速快门和积分器构成,辐射功率超过5 kW,辐射峰值超过1 800个太阳常数(标准AM1.5∶1太阳常数=1 kW/m2)。介绍了该模拟器的光学设计,主要工程特点和仿真结果。应用蒙特卡洛光线追迹技术优化几何配置,以使光源到目标面的辐射能量转换效率最大化。仿真结果显示:在直径20 mm的圆形目标区域其平均辐射超过1 000 kW/m2,相应的辐照不均匀度小于6%。利用该装置模拟了高倍聚光太阳系统的辐射特性,为研究高效率太阳能电池的热化学过程和测试先进的高温材料提供了实验平台。     

瞬态热量标定系统的太阳模拟器光学系统设计

设计了一种应用于瞬时热量标定系统的太阳模拟器光学系统,系统由短弧氙灯、椭球聚光镜和通道反射式积分器组成。介绍了椭球聚光镜的设计准则和限制要求,分析了积分器的工作原理和体均匀性,讨论了辐照面大小要求和安装空间的限制,最后,优化了系统设计并进行了仿真模拟。仿真结果表明,当选用近轴收大倍率为4．5、积分器管长为85mm时,若采用7000w氙灯,即能够获得3％的均匀性和4250食太阳常数的辐账“瞍;若采用5000W氙灯,则可在均匀性不变的情况下获得2980个太阳常数的辐照强度,两者均满足使用要求。     

球面阵列LED太阳模拟器光学系统设计

针对氙灯太阳模拟器光电转换效率低、寿命短、辐照强度低,均匀性差等不足,基于LED太阳模拟器光学系统,提出了一种球面阵列LED太阳模拟器光学系统,包括准直光学系统、匀光系统以及光源系统的设计方法。利用同轴透射式光学系统技术设计了双分离结构的准直光学系统, 在分析比较常用匀光系统的性能与组成形式的基础上,阐述积分器与视场光阑的设计过程, 然后基于球面光源的设计思想完成光源系统的设计, 利用LightTools光学设计软件对LED太阳模拟器光学系统进行仿真分析与验证。实验结果表明:球面阵列LED太阳模拟器在工作距离100 mm,输出辐照面积为100 mm×100 mm范围内,其辐照强度大于1 100 W/m2,辐照不均匀度优于3.86%。     

太阳模拟器焦平面温度场实验研究

为更加合理的利用太阳模拟器焦平面辐射能流,以所构建的集聚型太阳模拟器为研究对象,利用红外热像仪对光源和焦平面离焦时焦平面温度场进行实验测试以体现焦平面辐照度变化情况。结果表明:随着光源或焦平面离焦,焦斑内辐照度由高斯分布逐渐变得分散,辐照不均性降低,焦斑面积明显增大;光源正向离焦5mm比负向离焦5mm造成焦斑内辐照度分布更加分散,总辐照度损失更大;焦平面负向离焦100mm相比于氙灯离焦5mm,焦斑范围内辐照度不均度变化不大,平均辐照度下降更低。研究结论可为太阳模拟器调焦机构设计、合理利用焦平面辐射能流提供重要参考。     

太阳辐照绝对辐射计与国际比对

为了测量太阳辐照度和地球辐射，研制了太阳辐照绝对辐射计（SIAR-1），对电校准腔型绝对辐射计进行了重要改进，提高了绝对精度。参加了世界气象组织在瑞士设立的世界辐射中心组织的第九届国际日射计比对，AIAR-1高于民办辐射基准0.08％。太阳辐照度监测器（STIM）同SIAR-1进行了比对，结果太阳辐照度监测器三台绝对辐射计之间平均值偏差为0.11％。SIAR-1辐射计与太阳辐照度监测器2号辐射计在0.09％以内符合。结论：太阳辐照度监测器绝对精度为0.16％。     

具有一个太阳常量的高准直太阳模拟器光学系统设计

为解决现有太阳模拟器无法同时模拟真实太阳张角和真实辐照度(一个太阳常量)的难题,设计了一种新型太阳模拟器光学系统,阐述了光学系统中聚光镜的设计、光学积分器的优化技术及投影镜组的离焦对辐照不均匀度的影响.利用Zemax软件,以序列与非序列功能相结合的方式对积分器的光学参量进行优化,并设计了视场光阑和准直物镜系统.利用LightTools软件对光学系统进行仿真,结果表明:设计的太阳模拟器可以实现32′的真实太阳张角模拟,且辐照度达到一个太阳常量.同时,辐照面小于Φ100mm时,不均匀度优于±1.6%;辐照面在Φ(100~300)mm时,不均匀度优于±3.8%.     

Influence of laser wavelength on target irradiation uniformity

Target irradiation uniformity is very important in laser-produced plasmas experiments. The wavelength dependence of the irradiation uniformity is investigated in the joint scheme using a lens array (LA) and the technique of smoothing by spectral dispersion (SSD). It is proved that, for the long wavelength laser, lateral thermal conduction smoothing within the target is quite effective, while for the ultraviolet laser, SSD is the main smoothing mechanism. So SSD and other temporal smoothing methods are very necessary in producing uniform irradiation with laser beam of short wavelength.     

光学积分器对辐照均匀性影响的仿真分析

针对太阳模拟器设计和装调过程中光学积分器对辐照均匀性产生影响的问题,在详细阐述光学积分器工作原理的基础上,通过光学软件Zemax建立光学积分器成像模型,利用模型具体分析和研究了积分器两透镜组对应元素透镜间的光轴一致性误差对辐照均匀性的影响,并提出了消除光轴一致性误差的方法。通过实验验证了该方法的可行性与正确性。     

An evaluation of target irradiation uniformity based on spatial-spectrum analysis

The irradiation uniformity of target spots in high-power laser driver is evaluated based on spatial-spectrum analysis. Spatial spectrum can display the detailed spatial intensity structure of the spots and show the spatial frequency modes smoothed by the beam smoothing techniques. This evaluating model is applied to two kinds of typical target spots obtained with a lens array and a random phase plate, respectively, and its validity is found to be independent of the spot profile and the degree of intensity modulation. The uniformity evaluations based on this model are in good agreement with the fractional power above intensity.     

圆柱筒式脉冲光源辐射均匀性的模拟

圆柱筒式脉冲均匀光源在各种光学标定中有广泛应用.应用Monte-Carlo方法对光子进行跟踪模拟,通过变权重法和固定权重法两种算法得到出光面接收的相对光照度.当内壁反射类型、光源的位置、圆柱筒的高度与直径比不同时,出光面形成的光照度均匀性不同.通过模拟结果可知,当内壁为漫反射时,圆柱筒长度与直径比越大,出光面的光照度越均匀;但当比值大于3/2时,均匀性已无明显变化.最终得到满足标定实验要求的圆柱筒的最佳结构.     

神光III主机极向驱动靶丸表面辐照均匀性

极向驱动是在间接驱动构型的激光装置中,通过重瞄各束激光的位置,实现较均匀的靶丸表面激光辐照,以研究直接驱动惯性约束聚变的关键物理问题.介绍了神光III主机装置的激光排布和焦斑特点,以及激光束重瞄方法和靶丸表面激光辐照均匀性优化原则.给出了三阶和五阶超高斯近似下的激光焦斑强度分布,Φ540 μm靶丸在能量沉积满足cos²γ和cos γ假设时靶丸表面最均匀辐照的移束参数,以及二维辐射流体程序模拟最优移束时的内爆对称性结果.二维模拟结果表明,按cosγ假设移束的热斑更对称.分析了激光的束间功率不平衡、激光束重瞄精度和靶丸定位精度对靶丸表面辐照均匀性的影响.模拟结果表明,为了不显著降低靶丸表面辐照均匀性,需要将束间功率不平衡控制在5%以内,激光束重瞄精度和靶丸定位精度控制在7 μm以内.     

甚多束激光直接驱动靶面辐照均匀性研究

针对甚多束激光辐照下的直接驱动靶面光强均匀分布开展了系统研究. 利用球谐模分析选定了可实现均匀辐照的靶面弹着点极角分布, 并通过数值模拟确定了以等效48束激光直接驱动辐照下靶面三环弹着点极角位置分别为22.4°, 47.7°和73.6°. 基于特定装置构型分析了实现极向直接驱动时对各路激光指向的修正, 并对光束截面焦斑进行了优化, 实现了极向直接驱动下的靶面均匀辐照.     

利用消衍射透镜列阵及光谱色散平滑实现焦斑均匀辐照

提出将空间域的透镜列阵法和时间域的光谱色散平滑法结合起来实现靶面的均匀辐照. 消衍射型透镜列阵能获得边缘陡峭且顶部较平坦的准近场焦斑，光谱色散平滑则能有效地抹平焦斑内部由多光束干涉引起的细密条纹. 数值结果显示，通过该方案能获得均匀性较好的焦斑. 进一步分析了光谱色散平滑单元中位相调制和光栅的参数对辐照均匀性的影响，发现参数的选取要在焦斑均匀性和能量利用率之间取得合理平衡，以在整体上获得最佳的均匀辐照效果. 关键词： 光谱色散平滑 透镜列阵 衍射 多光束干涉     

Numerical analysis of the irradiation uniformity of a directly driven inertial confinement fusion capsule

The design of a directly driven capsule is carried out by 1D numerical simulation. Two configurations with 32 and 48 laser beams characterized by a super-Gaussian intensity profile have been considered and an ad-hoc 2D ray-tracing package has been developed to evaluate the uniformity of the time-integrated laser deposition energy. The time-evolution of the root-mean-square deviations of the deposited energy have been calculated. A robustness study as a function of the power imbalance has been performed showing that half of the shots performed with these two configurations provide the same irradiation uniformity. Laser beam parameters that keep the root-mean-square deviation lower than 1% are specified.     

The role of compound lens in optimizing the irradiation uniformity in longitudinal pumping laser

In order to optimize the axial irradiation uniformity of a laser in plasma, this paper investigates the role played by the compound lens using a ray-tracing method. Obtained results show that the adoption of the compound lens is capable of increasing the axial line-focus length. Meanwhile, after the energy attenuation in the plasma has been considered, moderating the optical parameter of the compound lens to obtain the corresponding energy output to compensate for the attenuation optimizes the irradiation uniformity along the focal line.     

光学观测中太阳夹角的分析与计算

对影响光学观测效果的太阳夹角计算方法进行了研究。首先给出了太阳夹角的定义及计算公式。然后重点研究了太阳视位置的计算方法,比较了几种赤纬角计算方法,给出了一种改进的时角计算方法,实现了高精度的太阳视位置计算,并对其计算精度进行了分析。最后提出了在实际光学观测应用中的太阳夹角计算算法。实验表明,太阳视位置计算精度比传统数值近似方法高一个数量级,能够满足光学观测中太阳光照分析的需要。