光学精密工程——中国神光高功率激光装置
作者:管理员    发布于:2018-12-09 22:00:03    文字:【】【】【
摘要:光学精密工程——中国神光高功率激光装置

            1引言


       自从人类钻木取火以来,林木、禾杆成为人类传统燃料;工业革命后,主要能源是煤、石油、天然气辅以水力、太阳能等;第二次世界大战后还出现了利用核裂变能的原子能发电站。但随着传统能源的不断枯竭,以及核裂变能产生的一系列问题,可控核聚变能成为人们急切探索的下一个目标。  
      1960年世界上第一台激光器(红宝石激光器)问世,1964年前苏联著名科学家巴索夫和我国著名核物理学家王淫昌院士分别首先提出用激光打靶实现激光核聚变的设想,而高功率钦玻璃激光驱动器是目前国际公认用于惯性约束聚变(ICF)物理研究最成熟的激光驱动器。以美国为代表的发达国家自激光一出现就开始了激光聚变的研究,先后研制和建造了几代高功率激光装置,用于激光驱动热核聚变研究,获得了一系列有价值的实验结果和规律性的认识。
      在王淫昌、王大瑜、于敏三位院士的倡议下,我国的ICF研究得到了国家的大力支持。1993年组建了国家高技术863计划惯性约束聚变主题,从而进一步推动了国家ICF研究和高功率激光技术的发展,也为神光II装置的研制奠定了重要的基础。
      美国正在进行的光学精密工程项目一家点火装置(NIF)是世界上最大的激光聚变点火装置。法国正在建造与美国国家点火装置类似的大型激光核聚变装置LMJo日本、英国、俄罗斯、印度也已经或正在建造规模较小些的激光核聚变装置。我国研制的神光U装置,在规模上处于目前世界上正在运行的ICF装置的第四位,但光束质量及运行输出指标要求已与当今国际高水平的大型激光驱动器光束输出质量水平相当。



            2神光II装置的发展历程、现状和意义


      我国的激光聚变研究,始于20世纪70年代初,中科院上海光机所在大型单路激光装置上观测到宛宛反应中子输出。随后在六路装置(由六路激光放大链组成的激光装置)上进行了激光与物质相互作用的基础研究。1981〜1986年建造的IO】?瓦两路“神光I”装置是我国第一台高功率激光驱动器装置,1987年通过了国家级鉴定,获国家科技进步奖一等奖。此后的8年间,在神光I装置上进行了一系列物理实验,并取得了一些重要的实验成果。
      在神光I基础上建设的神光U装置是由中国科学院、中国工程物理研究院、国家高技术863计划支持的重大科学工程项目。该实验装置是目前我国规模最大、国际上为数不多的高性能高功率固体激光装置,是我国中近期惯性约束聚变重要实验平台。
      2001年12月底,神光U装置通过了中国科学院、中国工程物理研究院联合主持的鉴定与验收。2002年获上海市科技进步奖一等奖,2003年获首届中国科学院杰出成就奖,2005年获国家科技进步奖二等奖。
      该装置是一个集中了当前国内最先进的光学、激光、精密机械以及计算机控制等系统为一体的综合性高科技工程项目。它的建成与投入运行,标志着我国在这一领域的综合研究能力上了 一个新的台阶,对解决人类未来能源问题以及开拓国际最前沿的“高能密度物理”研究具有重要意义。


            3神光II装置的主要研究内容和关键技术


      神光u装置由激光器系统、靶场系统、能源系统、光路自动准直系统、激光参数测量系统以及环境、质量保障等系统组成,是数百台套的各类激光单元或组件的集成,并在空间排布成8路激光放大链,每路激光放大链终端输出激光净口径0230 mn,具有两种脉宽(1 ns, 100ps),三种波长(1.053 ,0. 53 ,0.35 ym)的输出能力,装置终端输出能量达6 kJ/ Ins/ 1.053 。
      神光U研制经历了十分艰苦的过程,解决了大量科学技术难题。参研人员开拓创新,为全面达到神光U装置最终要求的技术指标,采用了国产高性能元器件,独立自主地解决了一系列科学技术难题,使神光U项目实现了我国ICF激光驱动器发展史上质的重大跨越,使装置实质性地跨入了当代国际最先进的高功率固体激光驱动器的行列,也成为国内由中国科学院和中国工程物理研究院高水平合作完成的大科学工程的典范。
      目前,神光U高功率激光装置(图3,图4)正在以我国ICF驱动器发展历史上从来没有过的高效率(每年激光打靶及激光调试运行发射1 000发次以上),高质量(高可聚焦功率光束质量水平和〜100 %的高穿孔率),高稳定性(激光输出总能量和8路能量平衡稳定性及激光打靶定点精度等全面超过指标要求),高成功率(每发打靶同时满足28项全指标要求的年成功打靶发次占总发次的百分比已大于75 %,超过合同成功率指标要求)水平运行,为我国相关科研项目的发展做出巨大的贡献。

            4神光II装置的技术创新点及应用情况


      高功率激光驱动器的科学技术水平最重要的是高激光质量、耐用性、稳定性、可靠性,以及驱动器激光运行输出极高的重复精度。神光u装置在研制过程中,独立自主地解决了一系列技术难题,创新和创新集成了 15项单元新技术。主要包括:
  (1) 创新设计并研制成功的无开关同轴双程片状主放大器,在国际上首次成功投入运行。
  (2) 在同轴双程主放中创新开拓的带滤波孔小园屏技术,解决了主放大器输出能力问题。
  (3) 首创调Q型损耗调制单纵模激光振荡器核心新技术,在神光眶行中获得国际同行瞩目的高稳定输出。
  (4) 创新型高稳定性冷阴极闸流管控制的时空变换激光脉冲整形技术。
  (5) 为解决激光靶精密瞄准问题独立发明的基频和三倍频严格同轴的高精度ICF靶场模拟光技术。
  (6) 解决高均匀度线聚焦的凸柱面透镜列阵创新设计工作。
  (7) 最新开拓的高激光破坏阈值介质膜平顶超高斯锯齿软边光栏技术。
  (8) 化学法制作有特色的高激光破坏阈值三倍频晶体表面防潮增透膜技术。
  (9) 高效快速自动准直技术,解决了激光装置全系统高精度自动准直、瞄准的关键等。
      截至2005年底,神光装置已经累计提供了有效运行打靶2 200多发次,平均成功率高达77. 62 %。开展了惯性约束聚变、X光激光等研究共20多轮物理实验,获得了有十分重要意义的结果。其中ICF直接驱动打靶,获得单发4 X10⁹中子,是国际同类装置获中子产额的最好水平。开展的物理实验为我国ICF研究做出了重大贡献,标志着我国ICF实验已经真正跃上了一个短波长、大功率激光打靶的新阶段。


            5与国际同类装置技术性能综合比较


      神光装置经过多年的关键技术攻关和技术创新集成,最终集成的神光装置总体技术水平已达到当前世界同类装置前沿水平。主要表现在:
  (1) 基频单束激光运行输出能量与美国OMEGA装置相同口径9 200 mm)单束运行能量(750 J/ns)相当。经过4年3 000发次以上(包括激光调试运行)激光运行,神光全系统没有一块钦玻璃激光片受到严重的激光损伤。
  (2) 激光输出光束质量达到国际同类装置同等技术参数水平。表征光束质量水平的可聚焦功率参数指标为:3. 5倍衍射极限范围内包含了 70 %的激光能量(lw₀) ; 8倍衍射极限范围内包含95%的激光能量(35)o神光II装置与当今世界上最先进的在运行的CI-MEGA 装置(9倍衍射极限范围95 %激光能量)技术指标相当。经过多年的物理实验、打靶运行,神光装置输出激光的通量、等效可聚焦功率密度和时空信噪比都达到了国际先进水平。为物理实验提供了高效的实验平台,确保了该项工作“十五”目标的超额完成。
  (3) 标志激光驱动器设计和光束调控水平的激光光束近场填充因子达到〜50 %。计及光斑中心区黑区的影响,光束近场填充因子〜60 %,与日本Gekko -辺大型激光装置59 %的水平相当,尚低于美国OMEGA装置75 %的水平。
  (4) 三倍频激光输出能力和稳定性是装置基频光束质量与三倍频技术实力的综合反映。神光匠倍频激光输出以日常运行约60 %的激光外转换效率和高稳定输出超过日本Gekko -丽张落在30 %〜50 %转换效率的日常运行结果o与美国OMEGA装置最高75 %内转换效率相近o
  (5)神光装置采用“选好基准,以动制动”的新技术路线,采用有特色的CCD并行图像处理技术,用约30min时间即可实现全系统光路自动准直高精度调整,有效提高了光路自动准直工作效率,总体技术水平高于日本用四象限二极管2个多小时才可实现的Gekko - >光路自动准直调整过程。


            6社会与经济效益


       光学精密工程——神光置的研制工作不仅为即将建造的下一代激光装置提供极为宝贵的科学技术经验,而且带动了我国相关材料科学(激光玻璃、激光晶体、非线性晶体)、精密光学加工与检验。/ io高平面度、低粗糙度、大口径光学元件研磨技术、金刚石车床飞刀切削大口径KDP晶体技术)、介质膜和化学膜层技术、高质量大口径氤灯工艺、精密机械和装校工艺及高压电能源系统、快速电子学、控制电子学、二元光学技术等跨越式的发展。这些相关学科技术在国民经济中的应用前景将是相当可观的。
       神光装置的建成并投入运行,在我国的激光及光学界还具有特殊重要的意义。它标志着我国已具备研制高质量、更大型激光驱动器的综合能力,并将继续为我国的战略能源、惯性约束聚变、X光激光和高能量密度物理等前沿基础研究提供可靠的实验手段,具有潜在的经济效益和重大的社会效益。



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