大科学装置:神光Ⅱ高功率激光装置

来源:中国激光    关键词:激光驱动器, 激光装置,    发布时间:2019-06-18

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我国的高功率固体激光驱动器发展与激光惯性约束核聚变(ICF)研究,始于20世纪70年代初。1981~1986年建造的1012瓦两路“神光I”装置是我国第一台高功率激光驱动器装置。

神光Ⅱ装置在神光I基础上建设,于1989年开始论证,1994年启动,在工程实施中经历了两个阶段,即主体装置工程与精密化工程。1998年精密化项目在神光Ⅱ工程逐步达标的基础上同步开展,于2004年通过验收,指标水平与当时国际运行中的最先进的装置基本等同。

神光Ⅱ装置是国内首个集物理理论、诊断、制靶、物理实验和驱动器五位一体的综合性ICF研究平台,使我国成为继美国之后第二个具备独立研制、建设新一代高功率激光驱动器能力的国家。

神光Ⅱ装置方案设计

神光Ⅱ研制中,首创提出了组合式同轴双程片状主放大器构型,并将其与经典主振荡功率放大器(MOPA)相结合,构成了装置的总体设计思想。神光Ⅱ装置总体系统由前端分系统、预放大器分系统、主放大器分系统、终端光学分系统等组成。

神光Ⅱ装置大厅实景

前端分系统:前端激光分系统的主要功能是提供可整形的1 ns的较长脉冲与另一种0。1 ns的较短脉冲,作为工程总体两种脉冲工作模式的种子源,并实现多路激光高精度同步控制。

预放大器分系统:主要功能是提供整个放大链路的大部分增益,实现信号脉冲能量108倍的放大,采用的是经典的MOPA结构。

主激光放大器分系统:主要功能是实现8~10倍能量增益, 提供全放大链路80%的激光能量。该分系统的主要特色包括:“四束合一”的新型列阵式光路构型、国内首次采用的多程放大构型、8路主放大器输出能量与波形平衡。

终端光学分系统:包含靶场系统、频率转换系统和传输聚焦组件三个主要的功能单元,适应于激光驱动器功能拓展,神光Ⅱ装置在国内首次设计并采用的双靶室构型,包括ICF靶室与XRL靶室,为其后研制的驱动器终端靶场所普遍采用。

神光Ⅱ装置研制在总体技术、单元技术以及元器件等方面实现了众多创新,主要包括:在装置前端及预放大阶段,发展了损耗调制型单纵模激光振荡器技术、全光纤集成波导前端、时空域调控技术以及功率平衡技术等;在主放大器中,发展了组合式同轴双程放大器技术、饱和增益角变反射率镜(AVM)调控技术、N31号新型钕玻璃及包边技术、自准直技术以及大口径能量计等;在终端光学系统中,发展实施了双靶场构型、大口径磷酸二氢钾(KDP)晶体生长与加工技术、高阈值化学防潮减反膜、三倍频功率平衡技术、凸柱面透镜列阵线聚焦技术以及高精度靶定位技术等。

(a) ICF靶室; (b) XRL靶室

神光Ⅱ装置研制水平与运行成果

2004年完成神光Ⅱ装置精密化工程, 在此之前国际上只有NOVA装置和OMEGA装置具备精密化的三倍频运行能力。

在光束质量方面,实现基频光聚焦70%能量(3。5DL,DL代表衍射极限),三倍频聚焦95%能量(8DL),优于OMEGA 装置三倍频聚焦95%能量(9DL)指标。

在单路最高基频输出能力方面,神光Ⅱ装置单路输出能量为882 J,在相同通光面积条件下,与OMEGA装置的1000 J单路输出能量处于同一水平。

在近场填充因子(FF)方面,神光Ⅱ装置的FF达到50%~60%,与当时日本GekkoGX-Ⅱ装置相当。

在三倍频运行方面,神光Ⅱ装置的转换效率为60%(最高为67%),超过当时Gekko GX-Ⅱ装置的30%~50%,与OMEGA装置水平相当。神光Ⅱ三倍频平均功率密度为0.66 GW/cm2,最大为1 GW/cm2,均为当时OMEGA装置的1.28倍。

神光Ⅱ装置建成以后,每年运行发射1000次以上,主要分配在聚变物理研究、高功率激光技术与器件验证、国际合作开放实验研究三个方面。

神光Ⅱ装置在2004年之前已提供正式物理实验打靶2025发次,2004-2017年累计提供物理实验打靶8390发次,平均成功率为91.7%。这些发次实验在腔靶物理、内爆动力学、辐射输运以及X射线激光等方面取得了大量有重要意义的成果。

 

经过最近10年的不断发展,高功率激光物理联合实验室形成了以神光Ⅱ装置为核心的激光物理综合平台,并不断拓展与加强该平台的功能,增加了神光Ⅱ升级装置、多功能高能激光系统、高能皮秒拍瓦激光系统以及超强飞秒5 PW激光系统等,具备了更完善的物理实验条件。其基本物理目标是推动我国ICF研究;其近中期目标是在腔靶物理、内爆动力学、辐射输运、状态方程和X射线激光等方面做出前沿探索,满足基础研究与国防安全建设需求;其远期目标是为实现清洁聚变能源这一满足人类未来能源需求的终极目标做出贡献。

 

 

文章来源:中国激光 朱健强,陈绍和,郑玉霞等