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主机装置MJ级能源系统研制现状

介绍了神光-Ⅲ主机装置能源系统的功能要求、组成结构和设计方法,以及关键单元器件的功能要求和设计方法。该系统是片状放大器系统的重要组成部分,由6个束组共108套最大储能为1.2 MJ的能源模块组成,总储能达到110 MJ（最大130 MJ）。每套模块产生一个脉宽610 s(10 %峰值)的电流脉冲,驱动10组、共20支氙灯,为片状放大器提供泵浦能量,峰值电流为0.25 MA。目前投入试运行的36套能源模块的各项电气性能指标满足设计要求,能确保片状放大器小信号增益系数达到5.0%/cm,为片状放大器提供足够的泵浦能量,满足激光器的能量需求。     

用于神光Ⅲ原型装置20 kJ能源系统的研制

在神光Ⅲ原型棒状放大器能源系统中,采用LC串联谐振变换器构成的软开关式恒流充电单元设计了高精度充电机.同时,基于RLC串联谐振电路的临界阻尼特性,设计了脉冲成形单元.分析了氙灯非线性解决办法及内触发点灯方式的可靠性,得出了脉冲氙灯线形等价和触发脉宽影响点灯可靠性的结论.采取计算机远程集中控制的控制策略,使得该系统控制安全高效.设计的20套能源模块完全符合用户要求,说明该方案具有可行性.     

40J激光装置研制

 报道了一台输出能量在40J量级的激光装置。该装置从星光Ⅱ激光装置分光作为光源,由放大器链、能源系统和支撑桁架等三大部分构成。对整个激光装置的模拟计算结果表明：装置的增益能力足够输出40J,B积分满足ΔB小于1.8的要求。研制了一种全腔水冷新型放大器,对其小信号增益系数和增益均匀性进行了测量,实验得出增益系数β为0.034cm ^-1,增益均匀性为91.84%。结果表明这种放大器完全能满足此激光装置的设计要求。     

激光驱动器能源系统实验平台测控系统的研究

为了提高激光驱动器能源系统运行的稳定性、可靠性、安全性,研制了一套能源系统实验平台的测控系统。该测控系统采用RS-232串行通讯、多线程程序设计来完成并行处理,具有较强的抗干扰能力,可远距离的进行自动控制、数据采集,并能及时的进行数据处理和分析,显示报表并打印。该项研究的结果为大型激光装置的相关系统设计提供了依据。     

石墨型高能两电极气体开关

为大型激光装置能源模块研制了一种采用石墨电极的两电极气体开关,阐述了石墨应用于高能两电极气体开关的技术关键,对气体开关中气体间隙的最优结构进行了电场强度分析。参考美国国家点火装置(NIF)能源模块中ST-300气体开关的已知参数,对研制成功的石墨型两电极开关进行了电气特性试验,证明了石墨型气体开关能够实现峰值电流达300 kA以上,单次转移电荷量100 C以上,寿命超过1 000次,满足1.2 MJ大型激光装置能源模块的工程技术要求。     

高库仑量大电流两电极气体火花开关研究

设计了一个两电极气体火花开关,开关的主体部分仅包括阴极、阳极两个主电极,以及金属外壳和绝缘支撑外壳,两电极结构取消了触发极,消除了由于触发极烧蚀影响开关寿命的问题。开关设计工作电压23 kV,单脉冲能量1.2 MJ,峰值电流300 kA,单次脉冲电荷转移量110 C。初步试验阶段开关工作电压达到15 kV,开关的通流180 kA,电荷转移量为47.85 C。开关触发性能可靠,电极烧蚀均匀。     

大电流两电极气体开关研究

 由于引燃管难以满足现在能源系统对放电开关承受大电流的要求,因此研制了大电荷转移量两电极气体开关。这种新型气体开关电极间距可调,无触发极,采用同轴结构,并将主电极置于金属腔体内,减少了放电对绝缘支撑的污染。主电极为铜钨合金材料,设计为平顶圆柱状,以提高烧蚀均匀度和热传导效率,减少电极材料喷溅,延长其寿命。绝缘支撑采用碗状结构,提高了机械强度,增加了沿面击穿距离。该开关工作电压达25 kV,放电电流超过100 kA（脉冲宽度600 μs）,单次脉冲电荷转移量达50 C。实验结果显示该气体开关触发性能稳定,电极表面烧蚀均匀,多次大电流实验后电极表面保持完好,可应用于强激光能源系统。     

高精度超短脉冲激光多路同步延时触发控制系统

 该系统采用高速的ECL电路,实现了与82MHz飞秒激光脉冲序列中一个脉冲前沿严格精确同步的单脉冲输出;采用标准频率计数法和高精度线性斜波电压产生法,实现了延时时间调节范围宽(1ns～999μs)、调节精度高(1ns)、输出路数多(20路)的触发控制信号。     

强激光能源系统新型放电回路研究

 从理论上分析了强激光能源系统新型放电回路能量传输效率和氙灯能量分配均匀性问题，给出了预电离回路的实验研究结果，此外还介绍了新型大尺寸氙灯爆炸能量的测试情况。