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光學精密工程—“神光”裝置及其物理實驗成果
作者:管理員    發布于:2018-12-29 20:49:57    文字:【】【】【
摘要:光學精密工程—“神光”裝置及其物理實驗成果


       近30年來,高功率激光伴隨著激光聚變研究的興起而迅速發展,在其發展過程中又不斷開拓出新的物理應用。目前最活躍的領域有:慣性約束聚變、X光微北和強場物理備。早在1965年,上海光機所就開始了高功率激光及其物理應用的研究。經過25年持續不斷的工作,取得了重要進展。特別是近年來以光學精密工程—“神光”裝置的董成和成功運行為標志,高功率激光研究進入了一個新階段,產生了一系列國際先進水平的科研成果。
       光學精密工程—“神光”裝置是我國規模最大的高功率枚玻璃激光裝置,在國際:上也為數不多。它由贏光器系統、靶場系統、測量診斷系統和實驗室環境工程系統組成。輸出激光總功率達10"瓦量級。光束發散角、脈沖信噪比、ASE (放大的自發輻射)及;穩定性等質量指標都很先進。高精度靶場系統能適應0.1毫米量級的微球靶、黑洞靶、臺階靶、各類X光激光靶等多種彗型的實驗需要,并具有單束、雙束及兩路并束激光打靶的功能。1987年國家科委組織進行畐家摩癥時,專家們一致確認:“裝置的綜合總體技術性能達到了國際同類裝置的先彈水平”,標志著我國已成為在高功率激光領域中具有這種綜合研制能力的少fet國家之亠”。
        “神光”裝置中采用了磷酸鹽欽玻璃、一大口徑片狀激光放大器、像傳遞多級塞間濾矗器、1/10波長大口徑平面加工工藝等10多項國內首次采用的單元技術和特種工藝,并有若干創新成果。下面摘要列舉幾項帶有獨創性的新技術。

        1. 自適應光學波前校正系統

        以19單元可變形反射鏡為校正器,插入總體光路的中部,宜的表面形狀受終端波前傳感器的信號反饋控制,以補償光路中光學元件材料和表面面形不完善造成的光束波像差,顯著地改善了激光束的質量。.這無論在系統的單元技術上,還是在總體布局方案上都具有獨創性,是迄今為止國際上同類裝置中首先成功使用并發揮作用的唯一系統。最近,?我們還將把這一系統進一步推廣應用于補償氤燈泵浦引起的熱畸變。

        2. 靶面均勻照明技術

        靶面光束聚焦點處光強的均勻分布對許多物理實驗均有重要意義,是國際上許多先進實驗室追求的目標。鄧錫銘教授提出的列陣透鏡方法,能獲得無旁瓣的光強均勻的焦斑,在實際應用中可產生極為平坦的高壓沖擊波陣面。這一方法,在物理概念上和透鏡的制造工藝上是獨特的,提出的時間也最早,是目前國際上公認的幾大方法之一,被稱為“上海方法”或“LA法”。


        3. 產生均勻線狀等離子體技冇

        左X光激光研究中,用高功率激光產生的均勻線狀等離子體是關鍵技術之一。我們研制的多單元組合柱面鏡系統成功地解決了這一問題。它不僅能在長達20-30毫米的焦線上產生十分均勻的光強(不均勻度小于5%),而且光能利用率接近100%,已在X光激光實驗中得到證實,并發揮了重要作用。這一技術在國際上屬首創,并已申請專利。

        4. 黑洞靶瞄準、定位、監測三合一系統

        在間接驅動聚變研究中,最為關鍵的前提是聚焦后的強激光束必須能準確地穿過微型靶殼上的百微米量級針孔注入靶內。我們研制成功的這一系統,能同時實現對靶的精確瞄準、定位和監測,在結構和原理上都有獨到之處。在三維方向上的精度均可達到5—10微米,與目前國際上最先進水平相當。

        5. 脈沖激光的波面“凍結”及測■技術

        利用我們提出的環路徑向剪切原理,無需另加參考光束,即能全息地記錄脈沖激光束的瞬態波面,精度可達焦深極限。我們利用這一原理制成實用測量設備,比美國最先發表的同一技術要早3年。

        6. LC恒流充電系統

        充電系統是大型激光裝置的重要組成部分,國際上有多種技術方案。我們根據新穎的原理,研制出完整的LC恒流充電系統。這一系統在同類裝置中是獨特的,具有不怕短路、運行安全、重復精度高(0.05—0.1%)、功率因素大等先進性能。此外,還根據儲能電容器以單次、脈沖方式工作的特點,大膽突破傳統的設計常規,獨立研制成高場強工作的高比能電容器,比傳統電容器的比能提高3倍,達到國際同類技術的先進水平。

        7. 脈沖預激光式單縱模振蕩器

        固體激光器的單縱模振蕩是國際上的一項技術難題。我們采用新的脈沖預激光工作方式獲得了與國外準連續方式相同的高質量振蕩,而且激光功率顯著提高,還可以降低對元件材料的苛刻要求,更適合我國實際。

        &光電導開關的應用

        除用作“零同步”開關外,把它推廣應用于脈沖信噪比測量,量程可拓寬到10*量級;用來作脈寬調節器,可在0.8-1.3納秒范圍內連續改變激光脈寬等等。

  光學精密工程—“神光”裝置正式投入使用后,運行良好。在使用過程中經過研究,還不斷有所發展,不僅超過了原設計要求,而且鑒定時指標又有了大幅度的提高。在光學精密工程—“神光”裝置上已做出一批國際一流水平的物理實驗成果,主要有以下幾方面:

        1.性約束聚變實驗研究

        初期,作為對裝置性能的綜合考核,進行了直接驅動聚變實驗。兩束100皮秒的強激光相恂輻照處于共焦點的100微米玻殼球靶(靶內充有10氣壓宛氟氣體),獲得4.5 X 10?中子。近年來,主要進行輻射驅動的基礎研究。兩束500-600焦耳.0.8-1.0納秒的強激光聚焦后分別穿過黑洞靶上兩個百微米級針孔,注入靶內產生X光輻射場,已獲得130eV的高輻射溫度,為輻射驅動出中子這一具有里程碑意義的目標奠定了基礎。這類實驗難度極高,技術綜合,每發打靶需診斷的物理探測道達120多個。

        2. 材料在極高壓下的狀態方程

         強激光通過列陣透鏡后形成400微米左右的光強均勻的焦斑,輻照銅鋁阻抗匹配臺階靶,獲得十分平直的沖擊波陣面,從而測出沖擊波速度和壓力。在銅中,激光驅動的沖擊波壓力已達到800萬大氣壓,這是用化爆方法達到的最高壓力的3—4倍;得到了銅在0.4-0.8TPa壓力范圍內的沖擊絕熱線,其低壓區數據和化爆得到的結果相當接近。這一成果優于國外已報道的同類工作,測量精度是最好的。

        3. 復合泵軟X光激光實驗

         在復合泵類鋰硅離子的軟X光激光實驗中,在國際上首次觀察到5f-3d(88.9A)和5d—3p(87.3人)躍遷的明顯增益;并發現新的能級對:6f—3d和6d—3p,在75.8 A和74.6 A的X光放大。這一成果受到國際同行的關注,有可能為X光激光向“水窗”波段推進提供一條新的途徑。

        4. 碰撞激發高増益X光激光實驗

         繼1989年類氛錯X光激光實驗獲得5條3p—5s譜線顯著增益后, 1990年上半年采用我們獨創的雙靶串接對打方案,又獲得類氛錯232 A和236 A高增益X光激光,實現了兩個靶中X光激光的串接放大,其增益長度乘積GL值分別達13.4和13.6的高水平。這是當時世界上第二大GL值,僅次于美國在NOVA.裝置(比我們的“神光”大100倍)上做出的類気硒GL為16的結果。這一成果及其新穎的實驗方案,對于深入理解X光激光產生的物理細節和促進X光激光應用具有重要價值。
         光學精密工程—“神光”裝置及其物理實驗成果,得到了國內外科學家的高度評價,先后獲得首屆陳嘉庚技術科學獎、中國科學院1989年科技進步獎特等獎和1990年國家科技進步獎一等獎。光學精密工程—“神光”裝置從預研、建造、鑒定、運行到開始出成果,前后整10年。它是廣大科技人員發揚獻身事業、鍥而不舍精神所取得的科研碩果,對高功率激光領域今后的發展有深遠意義。

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