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光學精密工程——中國神光高功率激光裝置
作者:管理員    發布于:2018-12-09 22:00:03    文字:【】【】【
摘要:光學精密工程——中國神光高功率激光裝置

            1引言


       自從人類鉆木取火以來,林木、禾桿成為人類傳統燃料;工業革命后,主要能源是煤、石油、天然氣輔以水力、太陽能等;第二次世界大戰后還出現了利用核裂變能的原子能發電站。但隨著傳統能源的不斷枯竭,以及核裂變能產生的一系列問題,可控核聚變能成為人們急切探索的下一個目標。  
      1960年世界上第一臺激光器(紅寶石激光器)問世,1964年前蘇聯著名科學家巴索夫和我國著名核物理學家王淫昌院士分別首先提出用激光打靶實現激光核聚變的設想,而高功率欽玻璃激光驅動器是目前國際公認用于慣性約束聚變(ICF)物理研究最成熟的激光驅動器。以美國為代表的發達國家自激光一出現就開始了激光聚變的研究,先后研制和建造了幾代高功率激光裝置,用于激光驅動熱核聚變研究,獲得了一系列有價值的實驗結果和規律性的認識。
      在王淫昌、王大瑜、于敏三位院士的倡議下,我國的ICF研究得到了國家的大力支持。1993年組建了國家高技術863計劃慣性約束聚變主題,從而進一步推動了國家ICF研究和高功率激光技術的發展,也為神光II裝置的研制奠定了重要的基礎。
      美國正在進行的光學精密工程項目一家點火裝置(NIF)是世界上最大的激光聚變點火裝置。法國正在建造與美國國家點火裝置類似的大型激光核聚變裝置LMJo日本、英國、俄羅斯、印度也已經或正在建造規模較小些的激光核聚變裝置。我國研制的神光U裝置,在規模上處于目前世界上正在運行的ICF裝置的第四位,但光束質量及運行輸出指標要求已與當今國際高水平的大型激光驅動器光束輸出質量水平相當。



            2神光II裝置的發展歷程、現狀和意義


      我國的激光聚變研究,始于20世紀70年代初,中科院上海光機所在大型單路激光裝置上觀測到宛宛反應中子輸出。隨后在六路裝置(由六路激光放大鏈組成的激光裝置)上進行了激光與物質相互作用的基礎研究。1981?1986年建造的IO】?瓦兩路“神光I”裝置是我國第一臺高功率激光驅動器裝置,1987年通過了國家級鑒定,獲國家科技進步獎一等獎。此后的8年間,在神光I裝置上進行了一系列物理實驗,并取得了一些重要的實驗成果。
      在神光I基礎上建設的神光U裝置是由中國科學院、中國工程物理研究院、國家高技術863計劃支持的重大科學工程項目。該實驗裝置是目前我國規模最大、國際上為數不多的高性能高功率固體激光裝置,是我國中近期慣性約束聚變重要實驗平臺。
      2001年12月底,神光U裝置通過了中國科學院、中國工程物理研究院聯合主持的鑒定與驗收。2002年獲上海市科技進步獎一等獎,2003年獲首屆中國科學院杰出成就獎,2005年獲國家科技進步獎二等獎。
      該裝置是一個集中了當前國內最先進的光學、激光、精密機械以及計算機控制等系統為一體的綜合性高科技工程項目。它的建成與投入運行,標志著我國在這一領域的綜合研究能力上了 一個新的臺階,對解決人類未來能源問題以及開拓國際最前沿的“高能密度物理”研究具有重要意義。


            3神光II裝置的主要研究內容和關鍵技術


      神光u裝置由激光器系統、靶場系統、能源系統、光路自動準直系統、激光參數測量系統以及環境、質量保障等系統組成,是數百臺套的各類激光單元或組件的集成,并在空間排布成8路激光放大鏈,每路激光放大鏈終端輸出激光凈口徑0230 mn,具有兩種脈寬(1 ns, 100ps),三種波長(1.053 ,0. 53 ,0.35 ym)的輸出能力,裝置終端輸出能量達6 kJ/ Ins/ 1.053 。
      神光U研制經歷了十分艱苦的過程,解決了大量科學技術難題。參研人員開拓創新,為全面達到神光U裝置最終要求的技術指標,采用了國產高性能元器件,獨立自主地解決了一系列科學技術難題,使神光U項目實現了我國ICF激光驅動器發展史上質的重大跨越,使裝置實質性地跨入了當代國際最先進的高功率固體激光驅動器的行列,也成為國內由中國科學院和中國工程物理研究院高水平合作完成的大科學工程的典范。
      目前,神光U高功率激光裝置(圖3,圖4)正在以我國ICF驅動器發展歷史上從來沒有過的高效率(每年激光打靶及激光調試運行發射1 000發次以上),高質量(高可聚焦功率光束質量水平和?100 %的高穿孔率),高穩定性(激光輸出總能量和8路能量平衡穩定性及激光打靶定點精度等全面超過指標要求),高成功率(每發打靶同時滿足28項全指標要求的年成功打靶發次占總發次的百分比已大于75 %,超過合同成功率指標要求)水平運行,為我國相關科研項目的發展做出巨大的貢獻。

            4神光II裝置的技術創新點及應用情況


      高功率激光驅動器的科學技術水平最重要的是高激光質量、耐用性、穩定性、可靠性,以及驅動器激光運行輸出極高的重復精度。神光u裝置在研制過程中,獨立自主地解決了一系列技術難題,創新和創新集成了 15項單元新技術。主要包括:
  (1) 創新設計并研制成功的無開關同軸雙程片狀主放大器,在國際上首次成功投入運行。
  (2) 在同軸雙程主放中創新開拓的帶濾波孔小園屏技術,解決了主放大器輸出能力問題。
  (3) 首創調Q型損耗調制單縱模激光振蕩器核心新技術,在神光眶行中獲得國際同行矚目的高穩定輸出。
  (4) 創新型高穩定性冷陰極閘流管控制的時空變換激光脈沖整形技術。
  (5) 為解決激光靶精密瞄準問題獨立發明的基頻和三倍頻嚴格同軸的高精度ICF靶場模擬光技術。
  (6) 解決高均勻度線聚焦的凸柱面透鏡列陣創新設計工作。
  (7) 最新開拓的高激光破壞閾值介質膜平頂超高斯鋸齒軟邊光欄技術。
  (8) 化學法制作有特色的高激光破壞閾值三倍頻晶體表面防潮增透膜技術。
  (9) 高效快速自動準直技術,解決了激光裝置全系統高精度自動準直、瞄準的關鍵等。
      截至2005年底,神光裝置已經累計提供了有效運行打靶2 200多發次,平均成功率高達77. 62 %。開展了慣性約束聚變、X光激光等研究共20多輪物理實驗,獲得了有十分重要意義的結果。其中ICF直接驅動打靶,獲得單發4 X10?中子,是國際同類裝置獲中子產額的最好水平。開展的物理實驗為我國ICF研究做出了重大貢獻,標志著我國ICF實驗已經真正躍上了一個短波長、大功率激光打靶的新階段。


            5與國際同類裝置技術性能綜合比較


      神光裝置經過多年的關鍵技術攻關和技術創新集成,最終集成的神光裝置總體技術水平已達到當前世界同類裝置前沿水平。主要表現在:
  (1) 基頻單束激光運行輸出能量與美國OMEGA裝置相同口徑9 200 mm)單束運行能量(750 J/ns)相當。經過4年3 000發次以上(包括激光調試運行)激光運行,神光全系統沒有一塊欽玻璃激光片受到嚴重的激光損傷。
  (2) 激光輸出光束質量達到國際同類裝置同等技術參數水平。表征光束質量水平的可聚焦功率參數指標為:3. 5倍衍射極限范圍內包含了 70 %的激光能量(lw?) ; 8倍衍射極限范圍內包含95%的激光能量(35)o神光II裝置與當今世界上最先進的在運行的CI-MEGA 裝置(9倍衍射極限范圍95 %激光能量)技術指標相當。經過多年的物理實驗、打靶運行,神光裝置輸出激光的通量、等效可聚焦功率密度和時空信噪比都達到了國際先進水平。為物理實驗提供了高效的實驗平臺,確保了該項工作“十五”目標的超額完成。
  (3) 標志激光驅動器設計和光束調控水平的激光光束近場填充因子達到?50 %。計及光斑中心區黑區的影響,光束近場填充因子?60 %,與日本Gekko -辺大型激光裝置59 %的水平相當,尚低于美國OMEGA裝置75 %的水平。
  (4) 三倍頻激光輸出能力和穩定性是裝置基頻光束質量與三倍頻技術實力的綜合反映。神光匠倍頻激光輸出以日常運行約60 %的激光外轉換效率和高穩定輸出超過日本Gekko -麗張落在30 %?50 %轉換效率的日常運行結果o與美國OMEGA裝置最高75 %內轉換效率相近o
  (5)神光裝置采用“選好基準,以動制動”的新技術路線,采用有特色的CCD并行圖像處理技術,用約30min時間即可實現全系統光路自動準直高精度調整,有效提高了光路自動準直工作效率,總體技術水平高于日本用四象限二極管2個多小時才可實現的Gekko - >光路自動準直調整過程。


            6社會與經濟效益


       光學精密工程——神光置的研制工作不僅為即將建造的下一代激光裝置提供極為寶貴的科學技術經驗,而且帶動了我國相關材料科學(激光玻璃、激光晶體、非線性晶體)、精密光學加工與檢驗。/ io高平面度、低粗糙度、大口徑光學元件研磨技術、金剛石車床飛刀切削大口徑KDP晶體技術)、介質膜和化學膜層技術、高質量大口徑氤燈工藝、精密機械和裝校工藝及高壓電能源系統、快速電子學、控制電子學、二元光學技術等跨越式的發展。這些相關學科技術在國民經濟中的應用前景將是相當可觀的。
       神光裝置的建成并投入運行,在我國的激光及光學界還具有特殊重要的意義。它標志著我國已具備研制高質量、更大型激光驅動器的綜合能力,并將繼續為我國的戰略能源、慣性約束聚變、X光激光和高能量密度物理等前沿基礎研究提供可靠的實驗手段,具有潛在的經濟效益和重大的社會效益。



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