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。     

冲功率装置汇流区由电子发射导致的电流损失机制

面向大型脉冲功率装置聚龙一号(PTS装置),以电磁粒子模拟方法(PIC)为依托,围绕真空汇流区双层柱-孔盘旋(DPHC)结构区域,研究电子发射对DPHC结构在电流传输、汇聚过程中的影响。使用全三维大规模并行粒子模拟软件NEPTUNE3D,简化并建立DPHC结构的物理和几何模型,利用全电路数值模拟的方法获得PTS装置真空轴向绝缘堆处开路和短路电压波形曲线作为输入条件,计算得到DPHC结构中磁场强度分布。分别考虑是否存在电子发射过程,获得输出端电流损失随时间变化曲线,经过对比得到峰值时刻由阴极表面电子发射所导致的电流损失率为0.46%~0.48%。     

基于FPGA的微型直流电机控制器IP核设计

为了实现阵列天线波束高效控制和系统小型化, 实现多轴微型直流伺服系统达到高速、并行控制, 根据Nios Ⅱ处理器的Avalon总线规范, 利用Verilog硬件描述语言, 设计了一种基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的微型直流电机控制器IP核。该控制器采用了有限状态机的方法, 分多模块实现硬件控制功能。针对微型直流电机特性, 采用了比例-积分-微分（PID）算法、分段控制及启停监测等控制策略。最后利用软件Quartus Ⅱ及DE0开发板进行了仿真和实验验证, 实验表明, 该控制器具有响应速度快、定位精度高、可靠性高、体积小等特点, 可以可靠地对各路微型直流电机进行独立控制, 且控制性能良好, 能够实现天线单元快速、准确的相位控制。     

新型双阈值高g值MEMS惯性开关（英）

在保证引信勤务安全性和正常发射可靠性前提下,为实现引信小型化而设计了一种新型无源双阈值高g值MEMS惯性开关,其主要包括能够识别两种典型加速度环境（载荷1:15 000g-300 ms,载荷2：3000g-3 ms）的环境识别模块M1和为后续电路可靠供电的通电模块M2。环境识别模块M1主要通过控制带有Z型齿的质量块与对应L型挡块之间的碰撞来确定质量块的运动位移,进而控制通电模块M2的工作情况。基于两种典型加速度环境对MEMS惯性开关进行了动力学仿真并优化,仿真结果表明所设计的开关在载荷1环境下保持断开,而在载荷2环境下可靠闭合。     

严格电磁场波导方法的三维厚胶光刻工艺仿真（英）

无论是在微机电系统（MEMS）还是集成电路（IC）领域,SU-8厚胶光刻已经成为制造高深宽比结构的主流工艺。为了取代昂贵而耗时的光刻实验,一套能够良好预测显影形貌,从而为优化光刻制造提供有效帮助的光刻仿真软件就成为必要而有价值的工具。基于严格电磁场波导法的理论,给出一种针对SU-8光刻胶在紫外光下的三维光刻仿真模型。利用该模型,能很好地预测显影后的光刻胶内光强分布和立体形貌。并完成了一系列仿真和实验结果来验证模型的有效性。仿真结果给出横截面光强分布图和显影立体形貌模拟图形,并与相应的实验结果进行对照。结果验证了本文提出的仿真模型的正确性,并且表明三维混合模型在保证精确性的前提下,较之其他仿真算法运算速度更快。     

电除尘器的脉冲电源研究

为解决电除尘器脉冲电源存在的负载上脉冲拖尾、电容剩余电压积累、负载上电压振荡问题, 在充电二极管两端反向并联了一个辅助开关。详细分析了电路的工作原理, 给出了选取影响负载上脉冲波形的关键元器件参数的理论依据, 仿真分析和低压试验验证了解决方案的正确性。脉冲电源的改进, 有利于进一步提高除尘效率和能量利用率。     

热稳定单原子催化剂的理性构筑:从原子级结构到实际应用

80%以上的工业生产过程涉及催化,如化工生产、能源转换、制药和废物处理等等.催化剂的使用显著提高了生产效率,降低了生产成本,为国民经济、地球环境和人类文明的可持续发展做出了很大贡献.为了满足日益增长的生产需求和最大的经济效益,开发高效、稳定、低成本的新型催化剂已成为当务之急.金属中心负载在载体上的负载型金属催化剂因其较好的催化活性和相对较低的金属用量而受到广泛关注.研究发现,负载型结构可增强传热和传质并增加活性金属中心的分散度,从而影响催化性能.此外,负载金属的颗粒尺寸对催化剂的性能有很大影响.迄今为止,科学家们一直在通过减小金属颗粒尺寸和提高原子利用效率来提高催化剂的活性.原子级尺寸的颗粒通常表现出与大尺寸颗粒显着不同的物理和化学性质,而当活性位点的尺寸缩小到单个原子时,单原子催化剂的概念应运而生.对于单原子催化剂,金属原子中心通过配位被载体中的缺陷锚定,从而调整金属原子的电子云分布.这种配位调整使得单原子催化剂拥有与传统催化剂不同的性能.作为催化领域的新前沿,单原子催化剂已经在许多催化反应中表现出前所未有的活性和选择性.然而,许多报道的单原子催化剂在高温环境或长期催化应用中容易受到奥斯特瓦尔德熟化过程的影响,从而导致催化剂烧结和失活.而烧结的原因在于金属原子和载体之间较弱的相互作用.失活催化剂的再生和回收将大大增加工业生产的时间和经济成本.因此,开发具有优异热稳定性的单原子催化剂以满足工业需求是十分必要的.本综述首先总结了近年来关于热稳定型单原子催化剂合成方法的基础研究,并从原子尺度上分析了这些方法所构建的金属中心的结构形态和配位环境.此外,结合近些年的研究中新的表征技术与理论计算手段解释了热稳定性的来源.重点讨论了热稳定单原子催化剂的实际催化应用.分析了热稳定单原子催化剂在热催化应用中的独特作用机理、并尝试为确定催化过程中真正的活性中心以及通过原子级调控手段进行高活性热稳定单原子催化剂的合成提供理论指导.最后总结了热稳定单原子催化剂发展的主要问题,并简要分析了单原子催化领域的研究挑战和发展前景.     

Ultrabright AIEdots with tunable narrow emission for multiplexed fluorescence imaging

AIEgen doped fluorescent nanodots (AIEdots) have attracted lots of attention, due to their superior characteristics as fluorescent probes, such as excellent photostability, large Stokes shift, high brightness and tunable emission. Unfortunately, most of the currently available AIEdots exhibit broad emission bandwidth, which limits their applications in multiplexed fluorescence imaging and detection. In this work, the strategy of designing and fabricating narrow emissive AIEdots (NE-AIEdots) with tunable wavelengths was presented by constructing a light-harvesting system with high energy transfer efficiency. Efficient intra-particle energy transfer from highly doped AIEgens, serving as the light-harvesting antenna, to the lightly doped narrow emissive fluorophore, resulted in high brightness and narrow emission. The emission band of NE-AIEdots with the full-width-at-half-maximum varied from 18 to 36 nm was 3–6.3 times narrower than that of traditional AIEdots. The single-particle brightness of NE-AIEdots was over 5-times that of commercial quantum dots under the same excitation and collection conditions. Taking advantage of the superior performance of these NE-AIEdots, multiplexed fluorescence imaging of lymph nodes in living mice was realized, which supported the future applications of NE-AIEdots for in vivo multiplexed labeling and clinical surgery.

AIEdots with high brightness and narrow emission bandwidth were developed for multiplexed in vitro and in vivo fluorescence imaging.     

New lead-iodide formates with a strong second-harmonic generation response and suitable birefringence obtained by the substitution strategy

Nonlinear optical (NLO) crystals featuring a strong second-harmonic generation (SHG) response and suitable birefringence to achieve phase-matching are in urgent demand in industrial and commercial applications. Based on the substitution strategy, two new NLO lead-iodide formates, K₂[PbI₂(HCOO)₂] and Rb₂[PbI₂(HCOO)₂], have been successfully synthesized using a moderate mixed-solvothermal method. K₂[PbI₂(HCOO)₂] and Rb₂[PbI₂(HCOO)₂] exhibit strong phase-matching SHG responses of 8 and 6.8 × KDP, respectively, a suitable birefringence and transparent window covering most of the visible light and mid-IR region. Crystal structures and theoretical calculations unveil that the origins of the strong SHG response and suitable birefringence can be credibly attributed to the oriented arrangement of the highly distorted [PbI₂O₄] hexa-coordinated polyhedra, which are consistent in their local dipole moments, as well. This research provides a new strategy to explore high-performance NLO crystals.

K₂[PbI₂(HCOO)₂] and Rb₂[PbI₂(HCOO)₂] with highly distorted [PbI₂O₄] polyhedra in an oriented arrangement exhibit a very strong phase-matching SHG response, suitable birefringence, wide transparent windows and good thermal stability.     

Fluorine extraction from organofluorine molecules to make fluorinated clusters in yttrium MOFs

A new rare earth based two-dimensional coordination network and a three-dimensional metal–organic framework (MOF) have been synthesized using bicinchoninic acid (BCA) and yttrium(iii) ions. Yttrium dimer nodes are formed in the absence of a modulator, resulting in a 2D layered coordination network (Y–BCA-2D). The presence of fluorinating agents, e.g., 2-fluorobenzoic acid (2-FBA), 2,6-difluorobenzoic acid (2,6-DFBA), and perfluorohexanoic acid (PFHxA) result in μ₃-F bridged metal hexaclusters (Y₆F₈) that form a three-dimensional MOF (Y–BCA-3D). It was found that Y³⁺ can break highly stable C–F bonds in aromatic and aliphatic fluorinated compounds. Single-crystal X-ray diffraction (SC-XRD) shows the presence of fluorine in the metal cluster which was confirmed by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS). High resolution X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and ¹⁹F Nuclear Magnetic Resonance (NMR) also verify the presence of metal–fluorine bonds in the cluster. The Y–BCA-3D MOF selectively adsorbs CO₂ but not N₂.

The reaction of yttrium(iii) and linker makes a 2D metal–organic framework. The addition of fluorinated modulators result in fluorine extraction from modulators and makes a 3D-MOF.