大型激光装置束间能量平衡能力综合分析方法

 针对大型激光装置输出能量平衡能力,建立了束间均方根分析方法。构建了大型激光装置的光束能量观测数据变换过程,得到服从近似正态分布的变换数据,从而建立简便的束间能量平衡能力的均方根计算方法;基于全控图和选图,针对装置能量平衡能力短期变化提出均方差控制图,并定义装置平均失效强度函数,用于描述装置整体的能量平衡能力长期变化趋势。通过对调试数据的分析,验证了综合分析方法的可视性和高效性。     

光学元件激光预处理技术

国外学者用1064 nm激光对pickoff镜进行预处理,发现损伤阈值平均提高38.8%。国内研究者用CO2激光中度抛光后,熔石英基片的损伤阈值提到了30%左右,激光波长、扫描方式等对处理效果影响也比较明显。介绍了三种公认的预处理机制,将离线与在线处理方式做了简单地比较,并对国内外激光预处理技术的发展和前景进行了展望。     

酸蚀与紫外激光预处理结合提高熔石英损伤阈值

采用HF酸刻蚀和紫外激光预处理相结合的方式提升熔石英元件的负载能力,用质量分数为1%的HF缓冲溶液对熔石英刻蚀1~100 min,综合透过率、粗糙度和损伤阈值测试结果,发现刻蚀时间为10 min的熔石英抗损伤能力最佳。采用355 nm紫外激光对HF酸刻蚀10 min的熔石英进行预处理,结果表明：紫外预处理能量密度在熔石英零损伤阈值的60%以下时,激光损伤阈值单调递增;能量到达80%时,阈值反而低于原始样片的损伤阈值。适当地控制酸蚀时间和紫外激光预处理参数能有效提高熔石英的抗损伤能力。     

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。     

ICF激光装置的任务可用性模型和分析方法

梳理任务可用度的基本模型,构建装置执行任务的过程类型和时间模型图,体现任务时限和修复时限的要求,以此给出装置单次任务可用性评价模型 ;选用曲线拟合和拟合优度检验方法,考虑修复对任务影响程度差异及其发生概率,建立装置多次任务可用性评价模型、评价方法及分析步骤,为系统地开展惯性约束聚变激光装置可用性评价提供一般模型和方法。通过对神光-Ⅲ原型装置使用可靠性数据处理和分析,验证提出的模型和分析方法的正确性和经济性。研究成果将直接应用于神光-Ⅲ主机装置的可靠性工程建设中。     

CO2激光对熔石英表面小尺寸损伤的修复

利用10.6 μm的CO2激光对不同直径的点状损伤和不同宽度的划痕进行了修复。经过波长351 nm的紫外激光考核发现,对于直径小于80 μm的点状损伤和对于宽度小于40 μm的划痕,随着损伤点尺寸和划痕宽度的增加,修复后阈值提高程度逐渐降低。划痕的宽度在达到40 μm以后修复效果非常微弱。修复过程中,由于作用时间较短及温度分布不均产生了热应力导致样片损伤以后产生径向裂痕,后续的紫外激光会使裂痕明显扩展。当样品被置于高温退火炉内退火3 h以后,应力导致开裂的现象得到了解决。     

受激旋转拉曼散射对强紫外激光相位的影响

 利用瞬态受激旋转拉曼散射（SRRS）模型及相位畸变模型,对具有空间相位畸变的强紫外激光束在空气中长程传输的SRRS效应进行了研究。详细讨论了低频和中高频空间相位畸变对SRRS阈值条件、斯托克斯光转换效率、剩余泵浦光和斯托克斯光相位的影响。研究结果表明,泵浦光的初始相位畸变对斯托克斯光相位畸变的影响较剩余泵浦光的更为明显;高频相位畸变对转换效率影响较低频相位畸变更大; SRRS效应阈值随低频相位畸变的增大而减小,随高频相位畸变的增大而增大。     

晶体级联方式的宽带三倍频方案分析

 讨论了入射基频光频谱宽度、两块和频晶体失谐角对KDP晶体Ⅰ/Ⅱ/Ⅱ类角度失谐级联方式的三倍频光功率谱分布的影响,分析了影响三倍频效率的因素。研究结果表明,第二块和频晶体得到的三倍频光的功率谱分布与基频光功率谱分布及失谐角有关,三倍频光频谱宽度近似为基频光的3倍,采用该方案的三倍频可有效抑制由于基频光时间相位调制导致的三倍频光强随时间分布的不均匀,并能有效提高大带宽条件下的三倍频转换效率。同时,采用该方案的三倍频,对级联的两块和频晶体厚度及失谐角调整精度要求不高,在实验上有很大的可操作性。     

熔石英介质中强紫外激光自聚焦效应研究

 针对脉冲宽度约1 ns、波长为351 nm的三倍频紫外激光,定量分析了熔石英介质中的自聚焦长度、峰值光强与强紫外激光光束质量及环境条件等因素的关系,研究了产生紫外光非线性自聚焦效应的阈值条件。研究结果表明：在强紫外激光光束质量一定的前提下,可将B积分值定义为自聚焦的阈值条件;入射强紫外激光光束质量越差,在熔石英介质中产生自聚焦的阈值条件越低;即使对于空间分布均匀的理想光束,当空气中存在灰尘时,经过一段距离的传输后,在熔石英介质中将导致强紫外激光自聚焦效应的产生,且灰尘尺寸较大时的自聚焦效应较明显,自聚焦的阈值条件也相对较低。     

受激旋转拉曼散射对强紫外激光相位的影响

利用瞬态受激旋转拉曼散射（SRRS）模型及相位畸变模型,对具有空间相位畸变的强紫外激光束在空气中长程传输的SRRS效应进行了研究。详细讨论了低频和中高频空间相位畸变对SRRS阈值条件、斯托克斯光转换效率、剩余泵浦光和斯托克斯光相位的影响。研究结果表明,泵浦光的初始相位畸变对斯托克斯光相位畸变的影响较剩余泵浦光的更为明显;高频相位畸变对转换效率影响较低频相位畸变更大; SRRS效应阈值随低频相位畸变的增大而减小,随高频相位畸变的增大而增大。