大科學裝置:神光Ⅱ高功率激光裝置

來源:中國激光    關鍵詞:激光驅動器, 激光裝置,    發布時間:2019-06-18

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我國的高功率固體激光驅動器發展與激光慣性約束核聚變(ICF)研究,始于20世紀70年代初。1981~1986年建造的1012瓦兩路“神光I”裝置是我國第一臺高功率激光驅動器裝置。

神光Ⅱ裝置在神光I基礎上建設,于1989年開始論證,1994年啟動,在工程實施中經歷了兩個階段,即主體裝置工程與精密化工程。1998年精密化項目在神光Ⅱ工程逐步達標的基礎上同步開展,于2004年通過驗收,指標水平與當時國際運行中的最先進的裝置基本等同。

神光Ⅱ裝置是國內首個集物理理論、診斷、制靶、物理實驗和驅動器五位一體的綜合性ICF研究平臺,使我國成為繼美國之后第二個具備獨立研制、建設新一代高功率激光驅動器能力的國家。

神光Ⅱ裝置方案設計

神光Ⅱ研制中,首創提出了組合式同軸雙程片狀主放大器構型,并將其與經典主振蕩功率放大器(MOPA)相結合,構成了裝置的總體設計思想。神光Ⅱ裝置總體系統由前端分系統、預放大器分系統、主放大器分系統、終端光學分系統等組成。

神光Ⅱ裝置大廳實景

前端分系統:前端激光分系統的主要功能是提供可整形的1 ns的較長脈沖與另一種0.1 ns的較短脈沖,作為工程總體兩種脈沖工作模式的種子源,并實現多路激光高精度同步控制。

預放大器分系統:主要功能是提供整個放大鏈路的大部分增益,實現信號脈沖能量108倍的放大,采用的是經典的MOPA結構。

主激光放大器分系統:主要功能是實現8~10倍能量增益, 提供全放大鏈路80%的激光能量。該分系統的主要特色包括:“四束合一”的新型列陣式光路構型、國內首次采用的多程放大構型、8路主放大器輸出能量與波形平衡。

終端光學分系統:包含靶場系統、頻率轉換系統和傳輸聚焦組件三個主要的功能單元,適應于激光驅動器功能拓展,神光Ⅱ裝置在國內首次設計并采用的雙靶室構型,包括ICF靶室與XRL靶室,為其后研制的驅動器終端靶場所普遍采用。

神光Ⅱ裝置研制在總體技術、單元技術以及元器件等方面實現了眾多創新,主要包括:在裝置前端及預放大階段,發展了損耗調制型單縱模激光振蕩器技術、全光纖集成波導前端、時空域調控技術以及功率平衡技術等;在主放大器中,發展了組合式同軸雙程放大器技術、飽和增益角變反射率鏡(AVM)調控技術、N31號新型釹玻璃及包邊技術、自準直技術以及大口徑能量計等;在終端光學系統中,發展實施了雙靶場構型、大口徑磷酸二氫鉀(KDP)晶體生長與加工技術、高閾值化學防潮減反膜、三倍頻功率平衡技術、凸柱面透鏡列陣線聚焦技術以及高精度靶定位技術等。

(a) ICF靶室; (b) XRL靶室

神光Ⅱ裝置研制水平與運行成果

2004年完成神光Ⅱ裝置精密化工程, 在此之前國際上只有NOVA裝置和OMEGA裝置具備精密化的三倍頻運行能力。

在光束質量方面,實現基頻光聚焦70%能量(3.5DL,DL代表衍射極限),三倍頻聚焦95%能量(8DL),優于OMEGA 裝置三倍頻聚焦95%能量(9DL)指標。

在單路最高基頻輸出能力方面,神光Ⅱ裝置單路輸出能量為882 J,在相同通光面積條件下,與OMEGA裝置的1000 J單路輸出能量處于同一水平。

在近場填充因子(FF)方面,神光Ⅱ裝置的FF達到50%~60%,與當時日本GekkoGX-Ⅱ裝置相當。

在三倍頻運行方面,神光Ⅱ裝置的轉換效率為60%(最高為67%),超過當時Gekko GX-Ⅱ裝置的30%~50%,與OMEGA裝置水平相當。神光Ⅱ三倍頻平均功率密度為0.66 GW/cm2,最大為1 GW/cm2,均為當時OMEGA裝置的1.28倍。

神光Ⅱ裝置建成以后,每年運行發射1000次以上,主要分配在聚變物理研究、高功率激光技術與器件驗證、國際合作開放實驗研究三個方面。

神光Ⅱ裝置在2004年之前已提供正式物理實驗打靶2025發次,2004-2017年累計提供物理實驗打靶8390發次,平均成功率為91.7%。這些發次實驗在腔靶物理、內爆動力學、輻射輸運以及X射線激光等方面取得了大量有重要意義的成果。

 

經過最近10年的不斷發展,高功率激光物理聯合實驗室形成了以神光Ⅱ裝置為核心的激光物理綜合平臺,并不斷拓展與加強該平臺的功能,增加了神光Ⅱ升級裝置、多功能高能激光系統、高能皮秒拍瓦激光系統以及超強飛秒5 PW激光系統等,具備了更完善的物理實驗條件。其基本物理目標是推動我國ICF研究;其近中期目標是在腔靶物理、內爆動力學、輻射輸運、狀態方程和X射線激光等方面做出前沿探索,滿足基礎研究與國防安全建設需求;其遠期目標是為實現清潔聚變能源這一滿足人類未來能源需求的終極目標做出貢獻。

 

 

文章來源:中國激光 朱健強,陳紹和,鄭玉霞等

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