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高功率钕玻璃激光系统的宽带三倍频技术方案研

时间:2019-08-07

  

高功率钕玻璃激光系统的宽带三倍频技术方案研究

  高功率钕玻璃激光系统的宽带三倍频技术方案研究,激光倍频,激光倍频晶体,激光倍频技术,激光倍频片,倍频激光器,激光倍频原理,倍频带声功率级,激光自倍频晶体,二氧化碳激光器倍频 复旦大学博士学位论文 高功率钕玻璃激光系统的宽带三倍频技术方案研究 姓名:陈英 申请学位级别:博士 专业:光学 指导教师:钱列加 2010-04-15 宽带激光既有助于提高大口径("--'300mm)、高能量("--kJ)的钕玻璃激光驱动器自身的综合性能,如避免大口径元件的破坏、改善光束质量、提高放大 器的储能的提取效率等;也有助于提高物理实验的综合效果,激光的宽频带有 利于提高靶丸目标对激光的有效吸收,获得更高的靶丸压缩比;有助于抑制激 光一等离子作用中有害的超热电子的产生等,从而提升高能量密度物理实验的 成功率。用于惯性约束聚变的高功率激光驱动器今后的一个重要发展趋势是采 用宽带激光脉冲进行传输和放大。 钕玻璃激光的三倍频成分是用于惯性约束核聚变的理想波段,受非线性KDP 晶体色散特性的影响,高效钕玻璃激光脉冲的三倍频仅限于于单纵模的窄带情 况,高效率的三倍频转换成为宽带激光驱动器技术发展中少数几个核心难题之 一。长期以来,国内外从事钕玻璃激光驱动器的专业单位先后尝试了许多实现 宽带三倍频的思想和技术,但都存在技术复杂或支持带宽不够等不足。因此, 宽带激光的高效率谐波转换是一项具有重要实际意义的研究课题,需要有突破 常规的思路及技术去解决这一难题。 本文提出了一种新颖的宽带激光三倍频技术方案,指出可以利用传统的窄线 宽钕玻璃激光来推动宽带钕玻璃激光脉冲的高效三倍频产生,称为组合激光工 作模式(宽带激光+窄带激光)的宽带三倍频方案;该方案无需应用大口径光 栅等色散元件,并可以与目前使用成熟的双和频晶体方案结合,可以支持目前 钕玻璃激光装置能达到的最大带宽~5rim的高效三倍频(理论上效率~ 80%),有望突破宽带型钕玻璃激光驱动器发展的技术瓶颈。另外,本文提出 的组合激光工作模式也为超短脉冲激光的高效谐波转换提供了新的思路。 论文的主要内容和创新点如下: 一、提出了利用窄线宽的钕玻璃激光脉冲与宽带钕玻璃激光脉冲组合进行频 率转换,高效得到紫外波段的宽带激光脉冲的三倍频技术方案。研究发现,利 用窄线宽的激光脉冲,可以减缓宽带激光谐波转换过程中群速度失配对效率的 限制,从而提高宽带激光的三倍频转换效率。在小信号情况下分别通过数学推 导和数值模拟研究了其相位匹配带宽的性质,证实了与窄线宽激光有关的群速 度失配不影响转换过程的相位匹配带宽。 二、对于中等宽带的钕玻璃激光脉冲(~1.2nm,通过对脉冲进行时间相位调制获得)的三倍频,双和频晶体级联的方案虽然在效率上基本可以达到实用 的标准,但并没有从根本上消除群速度失配的影响;导致输入时间相位调制的 基频光,其产生的三倍频脉冲顶部会出现较强振荡。利用钕玻璃激光在KD*P 晶体II类和频过程中两个群速度失配值差别较大的特性,在和频过程中引入窄 线宽的钕玻璃激光脉冲,可以大大减缓群速度失配值的限制,从而可以很好地 抑制基频光的相位调制向三倍频脉冲强度调制的转移,改善了输出脉冲形状的 均匀性及对称性。 三、针对目前高能钕玻璃激光装置能达到的最大带宽~5rlin,采用窄线宽激 光脉冲来推动其纳秒级(109s)啁啾脉冲的三倍频转换,结合目前使用成熟的 双和频晶体级联技术,理论上转换三倍频效率可达80%。对生成的宽带紫外啁 啾脉冲进行压缩,可得到功率为拍瓦(10”W)量级的亚皮秒(1012s)超强紫 外脉冲,为强场物理的研究提供新的手段。产生的紫外激光的一部分能量来自 窄线宽激光,所以其拍瓦脉冲的能量比钕玻璃拍瓦脉冲的能量更高,再加上它 有着更短的脉冲,其峰值功率将比现有的钕玻璃拍瓦脉冲提高约2.5倍。 四、分析了组合激光工作模式下三倍频转换中输入脉冲光强的变动及晶体失 谐对转换效率的影响。研究发现采用两块级联的倍频晶体可提高谐波转换效率 的动态范围,同时,还大幅度降低晶体失谐对效率的影响。 【关键词】:高功率激光驱动器;三次谐波产生;群速度失配;组合激光工作模 式;拍瓦激光 【中图分类号】:0437非线光电子技术、激光技术;TL632惯性 约束装置 AbstractAbroadbandbandwidthis key factorforthe performance ofthe laser—aperture(~ 300 mm)andhighenergy(~l(J)Nd:glass laser facility,such opticalcomponents,improvinglaser-beam uniformity,improving extracted efficiency from energy-storage oflaser amplifer.A broadbandlaseris also helpful tothe experiment highertargetcompression,suppressing productionofhotelectroninthe laser-plasma interaction.An important trendofthe high-power laserdeliversforinertialconfinement fusion(ICF)is applybroadband laser light. frequencydoulberand tripler hasbecomeastandardauxiliarydevicein hilgh— power laserfacilitiesbecauseathetllird-harmonic component Nd:glasslaseris thought tobeandideal wavelength forICF.Efficientthird—harmonic generation(THG) islimitedtonarrowbandwidthcasesbecauseofthe dispersion ofKDP crystal,SO needofefficientbroadbandfrequency-tripling conversionbecomemore urgent forthe development ofbroadbandlaserdelivers.Several approaches havebenn proposed increasetheacceptancebandwidth,howeverthey aretoo complicated tobe adopted fusionlasersorstillinsufficient.Therefore,the efficientbroadband frequency conversion technique isan urgent anddifficultresearch subject. We report anefficient frequencytripling schemefor351 nnlbroadband pulsesby 嘴ofbroadbandandnarrowband Nd:glasslasers.Avoidingany additional large dispersiveoptical element(i.e.diffractiongrating)causedenergy loss orbeam distortion,州tlltheassistofanarrowbandlaserinthe slJl'n frequencygeneration(SFG) process andtheadditionofasecond tnpler,results ina large bandwidth acceptance (over run)aswellas hightripling conversion efficiency(>80%).It overcometheobstacleofbroadbandNd:glass laserdelivers. The major researchworkcanbelistedasfollows: 1.We propose simpleandefficient broadbandTHG schemefor Nd:glass laser system basedon mixing narrowbandandbroadbandlaser pulses inthe SFG process.Thegroup-velocitymismatching(GVM)effects ofthe SFGprocess substantiallyalleviated、析也theassistofanarrowbandlaserwhich thedominateobstacletoefficientbroadbandTHG.Underthesmallsignal phase-matching bandwidthofthe proposed frequency conversionschemeare studied analytically numerically,respectively.Theresultsshowthatthenarrowband pulse-related GVMshavelittleeffecton phase-matching bandwidth. 2.A dual-tripler schemehasbeen successfully demonstratedandseemstobe more promising,and acceptancebandwidthof1.2ninalmostCan satisfy theneed doesnotallivatedtheGVMeffectssubstantially,result aconversionfromthefrequency modulation(FM)of fundamental pulse amplitudemodulation(AM)ofoutput“rd—harmonicpulse.TwoGVMvalues诵tll considerabledifferenceexitintheSFG process,thebigger onehaslittle effecton frequency convrsionifthe longwavelength laseris chosenaSnarrowbandlaserinthe proposed scheme.Asa result,the FM-to-AMconversionissubstantial suppressed pulsewitlla well-temporalshape isobtained. 3.Sincea typicalNd:glasspetawaR laserdelivershasabandwidthof4~5nnl, theultimatesolutionfor frequencytripling needsto exploit thewholebandwidthof 5nnl efficiently.Based onthe frequency-mixing ofbroadband chirped—pulse、itll narrowbandlaserandadual-triplerscheme,abroadbandNd:galsschirped-pulse 、析labandwidthof5姗canbe efficiently convertedtoultraviolet pulse(efficiency >80%).Thegenerated ultraviolet pulse carlbe compressed toadurationshorterthan thatoftheinitial Nd:glasspetawaR laser pulse andultraviolet petawattpeal(power canbeincreased 2.5timesaS high asthatofthe Nd:glasspetawatt laser.The demonstratedTHGschememayprovide promisingroutetoefficient generation high-powerlasersatshort wavelengths. 4.Thesensitivitiesofconversion efficiency onbotllthe intensity variationand crystal—orientation offsetinthe proposed schemearealsodiscussedfor practical applications.Designs thatinvolvetwodoublersoffera highdynamicrange conversionefficiency versusintensityvariation,at thesametime,adual-doubleris quite insentiveto inputangle offset. KeyWords:High power laser delivers,tllird harmonic generationgroup- velovitymismatching,mixing broadbandandnarrowband lasers,petawatt laser pulse. Chinese Library ClassificationNumber:0437;TN24:TL632 图表目录图1.1.美国LLNL实验室强激光装置发展示意图………………………………13 图1.2.美国LLNL实验宣的NIF装置建筑概貌…………………………………13 图1.3.NIF装置总体设计效果图…………………………………………………。14 图1.4.LLNL实验室的Beamlet装置(左)和Nova装置(右)概貌…………15 图1.5.法国LMJ装置单束激光设计效果图……………………………………。16 图1.6.美国LLE实验室OMEGA.EP装置光路示意图…………………………18 图1.7.日本ILE研究所建造的FIREX.I装置概貌………………………………19 图1.8.英国RAL实验室的Vulcan10PW装置示意图…………………………..20 图1.9.美国LLNL实验室研制的200Tw、飞秒JanUSP钛宝石激光装置…~22 图1.10.NIF装置的终端光学系统示意图…………………………………………24 图1.11.目前普遍采用的三倍频转换方案(a)角度失配方案; (b)偏振失配 图2.1. 图2.2. 图2.3. 图2.4. 图2.5. 图3.1. 图3.2. 图3.3. 图3.4. 图3.5. 图3.6. 图3.7. 图3.8. 图3.9. 方案.……………………………………………………………………………………………24 (a)晶体内P点三波相互作用的光线示意图; (b)激光带宽及调制频 率对三倍频效率的影响…………………………………………………32 OMEGA装置中角度失谐晶体级联三倍频示意图………………………35 KDP晶体I类二倍频的相位匹配曲线图…………………………………35 KDP晶体I类倍频的群速度曲线(实线)及相位匹配曲线 分步傅立叶算法流程图……………………………………………………42 通过电光晶体对光波进行时间位相调制…………………………………45 光纤堆积脉冲的原理图……………………………………………………46 窄带激光脉冲与宽带啁啾脉冲同步和频的实验装置图,其中Ll,L2, L3分别为焦距为500mm,300咖,400mm的透镜.…………………48 频率转换效率与非线性驱动系数D的关系。三角型:0.8)xm宽带啁啾 脉冲的倍频;圆型:1.053岬窄带脉冲的倍频;方型:0.8岬宽带啁 啾脉冲与1.053)xm窄带脉冲的和频.…………………………………………….48 (a)传统的钕玻璃激光三倍频装置; (b)组合激光工作模式(窄带 钕玻璃激光+宽带钕玻璃激光)的三倍频方案。………………………50 小信号情况下倍频光强与基频光波长的调谐曲线ng的单 色高斯脉冲,入射角为0.8Ixm处的相位匹配角。……………………5l 小信号情况下和频光强与基频波长的调谐曲线ns的单色 高斯脉冲,和频的另一束激光由基频光倍频得到,入射角为1.053gm 小信号情况、组合激光工作模式下波长调谐对和频光强的影响.实线:基频光波长固定,倍频光波长调谐;虚线:倍频光波长固定,基 频光波长调谐.输入脉冲以及晶体厚度与图3.7一致。……………..53 基频光的带宽对钕玻璃激光三倍频效率的影响。虚线:传统的三倍频 基本装置;点线:两块和频晶体级联的方案(见参考文献[62】);实 线)am激光的三倍频方案.……….55 图3.10.基频光的带宽对钕玻璃激光三倍频效率的影响。虚线:传统的三倍频基本装置;实线岬激光的三倍频方 案.……………………………………………………………………………………………….56图3.11.宽带三倍频过程中频率调制向强度调制的转移(a)输入的基频光频 (b)输入的基频光脉冲及输出的三倍频光脉冲.………………58图3.12.三倍频光脉冲的强度畸变因子a与其频谱线宽的关系.虚线:传统的 三倍频基本装置;点线:和频晶体级联的方案;实线:组合激光工作 模式的三倍频方案.…………………………………………………….59 图3.13.大信号情况下谐波转换效率与三倍频光波长的调谐曲线。虚线:传统 的三倍频基本装置;点线:和频晶体级联的方案;实线:组合激光工 作模式的三倍频方案。………………………………………………….60 图3.14.不同入射功率密度情况下谐波转换效率与三倍频光波长的调谐曲线. 虚线、点线及实线的入射基频光强分别为:0.5 Gw/cmz、1.5Gw/cmz 和3.0Gw/em2。……………………………………………………………………………..60 图4.1.啁啾脉冲放大技术(CPA)原理图………………………………………63 图4.2.紫外波段的高功率KrF准分子激光装置示意图………………………一65 图4.3.基于组合激光工作模式产生紫外PW脉冲三倍频方案…………………66 图4.4.钕玻璃基频脉冲的带宽对其三倍频效率的影响。点线:传统钕玻璃激 光三倍频基本装置;实线:组合激光工作模式的三倍频方案;虚线: 组合激光工作模式+双和频晶体的三倍频方案…………………………66 图4.5.三倍频转换效率与单色基频波长的调谐关系。输入的脉冲宽度为2 ns,形状为8阶超高斯.其中虚线、点线的三 种频率转换方案。………………………………………………………..67 图4.6.三倍频过程中输入及输出激光归一化的频谱形状。虚线和实线分别表 示钕玻璃激光和紫外激光………………………………………………68 图4.7.三倍频过程中输入及输出的脉冲的归一化图。虚线:钕玻璃PW脉 冲;实线:紫外PW脉冲。插图:未归一化的脉冲形状图。………..68 图4.8.组合激光工作模式中宽带啁啾脉冲的光强变化对三倍频效率的影响. 虚线-单块倍频晶体;实线:使用两块级联的失谐倍频晶体………69 图4.9.组合激光工作模式中窄带脉冲的光强变化对三倍频效率的影响.虚 线:单块倍频晶体情况;实线:使用两块级联的失谐倍频晶体……70 图4.10.倍频晶体的失谐对三倍频效率的影响。点线:单块倍频晶体情况;虚 线及实线:使用两块级联的失谐倍频晶体.横坐标的0点表示晶体的 零失谐…………………………………………………………………….7l 图4.11.两块和频晶体各自的角度失谐对三倍频效率的影响(a)单块倍晶体情 况(b)使用两块级联的失谐倍频晶体.……………………………….72 表1.1.世界上已建成的高功率激光装置………………………………………….12 表1.2.国外已建成或正在建造的巨型高功率钕玻璃激光装置………………….17 表3.1.钕玻璃激光三倍频过程中的群速度失配值……………………………….47 第一章高功率激光驱动器及其三倍频装置综述第一章高功率激光驱动器及其三倍频装 置综述 1.1.激光惯性约束核聚变概述 核聚变反应是宇宙能量的主要来源之一。太阳,还有许多恒星都是天然的核 聚变能源,在太阳中发生的核聚变反应给整个世界和我们的日常生活提供了能 量。随着人类对地球上不可再生能源(石油、煤和天然气等)的长期消耗,最 终会导致这些能源的枯竭,因此能源危机成为困扰人类社会发展的主要难题之 一。由于受控核聚变能是干净、安全、经济的能源,所以人们将下一世纪的能 源主要寄希望于核聚变反应上【151。氢弹爆炸所释放的威力巨大的能量就 来自爆炸时的核聚变反应,然而,氢弹的爆炸是大规模的核能释放,无法人工 控制。因此,最近几十年以来,受控核聚变研究一直受到国际上的广泛重视,‘ 许多国家都投入大量人力和资金开展各种试验研究,其最终目的是要实现核聚 变能的和平利用,建立受控核聚变堆和核聚变能电站,这也是半个世纪以来科 学家们努力追求的目标。 本世纪40年代,人们提出磁约束核聚变(magneticconfinementfusion, MCF)的思想,主要依靠强有力的磁场将低密度、高温度的等离子体约束足够 长时间以使氘氚等离子体达到核聚变反应所需要的条件。经过几代科学家的努 力,目前的磁约束实验装置已经分别可以将较低温度、低密度的等离子体约束 足够长的时间或者在短时间内将等离子体加热,但是如何使磁约束实验装置中 的等离子体在达到长约束时间(秒量级)的同时也达到核聚变反应所需要的高 温,目前仍是一个极大的难题。在激光问世后,人们提出采用高功率激光器加 热燃料达到热核反应温度的思想。1963年,前苏联列别捷夫物理所(Lebedev PhysicalInstitute,LPI)的N.G.Basov和O.N.Krokhin首次提出激光核聚变的基 本概念161。1964年,J.Dawson独立提出了类似观点【7l。同年,我国核科学的奠 基人和开拓者之一,中国科学院王淦昌院士也独立地提出了用激光照射氘氚产 生中子的想法18I。之后在1972年,美国劳伦斯 利弗莫尔国家实验室(Lawrence LivermoreNational Laboratory,LLNL)的J.H.Nuckolls等人提出利用内爆原理将 热核燃料压缩至高温和高密度实现聚变的方法,取得理论上的突破,这是惯性 约束聚变研究中具有罩程碑意义的进展19J。 博士学位论文一高功率钕玻璃激光系统的宽带三倍频技术方案研究惯性约束核聚变(inertialconfinementfusion,ICF)是利用高功率激光束 (或粒子束)均匀辐照氘氚等热核燃料组成的微型靶丸,在极短的时间里靶丸表 面在高功率激光的辐照下会发生电离和消融而形成包围靶芯的高温等离子体。 等离子体膨胀向外爆炸的反作用力会产生极大的向心聚爆的压力,这个压力大 约相当于地球上的大气压力的十亿倍。在这么巨大的压力的作用下,氘氚等离 子体被压缩到极高的密度和极高的温度(相当于恒星内部的条件),引起氘氚 燃料的核聚变反应。人们希望能通过惯性约束核聚变(受控热核反应)来产生 既干净又经济的能量。当把氢的同位素氘、氚加热到10keV时,它们就具有足够 高的动能来穿透核的库仑势垒,从而引发核反应。与磁约束核聚变反应不同的 是,惯性约束核聚变的等离子体并不需要任何的外力对其约束,而是依靠燃料 自身的惯性。在高温、高压下,在氘氚燃料还没来得及飞散之前的短暂时间内 引发聚变核反应。惯性约束核聚和磁约束核聚变的共同点是它们都要求高达一 亿度的反应温度。二者的不同在于:惯性约束核聚变等离子体的密度极高 (1026cmo),所以其约束时间仅要求纳秒(10。9S,ns)量级,与氢弹的热核反 应的条件类似.。而磁约束核聚变等离子体的密度则低得多,仅为1015cm刁的量 级,因此,其约束时间必须长达秒的量级,以满足劳森判据(Lawsoncriterion) 的要求。 同时,与磁约束比较,惯性约束的优点是驱动部分与聚变反应堆部分在空间 上是分离的。由于两部分功能截然不同,所以在空间上分开、互不干扰就很重 要。此外。惯性约束的聚变反应空间很集中,磁约束则是分散的。这个优点对 靶室设计也是很有利的。 1.2.惯性约束核聚变反应的基本原理 对于氘一氚(D,T)反应。劳森判据为‘m01: %f>1014gm。s, (1-1) 式中的吃为D-T燃料的等离子体密度,f是核反应持续时间。对磁约束核聚变 反应来说,约束时间由被加热的粒子和能量弥散的时间来决定,而在惯性约束 核聚变反应中,这个时间则是由等离子体的膨胀时间来决定的。在等离子体半 径R膨胀25%的时间内,热核反应的速率降低一半。由此我们可以估算出热核 反应时间rB(1/4)R/cf,这里G是等离子体的膨胀速度,由等离子体的温度决 定。对应于热核反应温度10keV,G吒X107cm/s,把这个热核反应时间代入劳 森判据,同时用质量密度p代替粒子密度以,可得变形后的劳森判据: pR>0.2g/cm2. (1.2) 10 第一章高功率激光驱动器及其三倍频装置综述 然而,在这样的条件下,仅粒子只有1-2个射程。对于惯性约束核聚变反应 来说,由于a粒子没有受到磁场的约束,很快就会跑掉,对于5—10keV温 度,氘氚的燃耗ft目oR/(oR+6),若肚=0.2g/cm?,这时的燃耗只有3.2%,这 太不合算了。因此在惯性约束核聚变的研究中,通常要求肚=3g/cm2,以保证 燃耗f>33%。 从劳森判据估算可以得知,如果整个氘氚靶丸压缩到高温(一5keY)、高密 度(--200 g/cm’),则在pR=3e#m2的要求下,需要提供给氘氚靶丸的能量为 毋=1.7MJ(106J),若想能提供真正有用的能量输出,则在效率约4%的条件 下,要求驱动激光能量为局缸,43MJ!这显然是不容易实现的[41。因此,要想 用现实的驱动能量来实现惯性约束核聚变,只能采用压缩的高密氘氚燃料,使 其密度达到300g/cm3(相当于正常固体密度0.3g/cm3的1000倍);同时,这 个压缩要在低温下进行,使中心处2%一3%质量的氘氚燃料形成热斑(hot spot),实现“中心点火"。此时,用兆焦耳量级的驱动能量就可以引发热核 反应,释放几百兆焦耳的聚变能量。 “惯性约束一最初的科学含义是:在足够高的燃料密度状态下产生聚变反 应,利用物质的密度惯性来维持所需燃烧时间,当燃料飞散前,热核燃料的net 值已达到劳森判据。其完整概念是:利用高功率短脉冲激光束均匀照射微型氘 氚靶丸,在短时间内迅速加热压缩靶丸,使之达到热核燃料点火状态,在惯性 约束条件下发生自持热核反应。 1.3.国外高功率激光驱动器发展状况 受惯性约束核聚变研究的牵引,高功率固体激光装置已成为当前与未来开展 核聚变研究的有力工具,其发展趋势倍受关注。目前,高功率固体激光装置大 致上可以分为以下三类IllJ: 1)纳秒级高能激光装置;脉冲宽度为数百皮秒(10。12S,ps)至数纳秒,单 束激光能量高达数十l(J,用于中心点火方式。典型装置有美国的NIF[12】,包含 192束激光,波长为0.35pm,脉宽为15as,能量为1.8MJ。法国的兆焦耳点 火装置(Laser M69ajoule,LMJ)【13】,指标等同NIF,但为240束。 2)皮秒级高能激光装置;脉冲宽度为数百飞秒(10。15S,Is)至数皮秒,脉 冲能量为数I(J,用于快点火方式。代表装置有美国LLNL实验室的Petawatt装 置【l4。,脉宽为440fs,能量为680J,功率为1.5PW(10”W,拍瓦),以及日 本的大阪大学激光工程研究所(InstituteforLaser Engineering,ILE)在GEKKO XII上建立的一路PW装割”J,脉宽为500fs,能量为500J。 博士学位论文一高功率钕玻璃激光系统的宽带三倍频技术方案研究 3)飞秒级高峰值功率激光装置;脉冲宽度为数十飞秒至百飞秒,新时代掷弹筒挪威iMortar超轻迫击炮及弹药_高清图!脉冲能量 为数十焦耳以上,主要用于强场物理研究。代表装置有日本原子能研究所 (Japan Atomic Energy ResearchInstitute,JAERI)的850TW(1012W,太瓦) 激光装置1161,美国LLNL实验室输出功率200TW的JanUSP激光装置117J和我国 中心波长为800nm,脉宽为30fs,功率为280TW的SILEX-I装置【l珂。目前, 惯性约束核聚变研究中,中心点火和快点火两条技术路线是齐头并迸,激光驱 动器也呈现出相互融合的趋势,各国在大力发展纳秒高能激光装置的同时,也 不遗余力地建造皮秒和飞秒高能激光装置。 1.3.1.纳秒级高功率激光驱动器 表1-1.世界上已建成的高功率激光装置 激光装置名称 实验室名称 能量 建成时间JAl、兀,S LLNL(美国) 10 ̄20J/l 1975ISKRA.4 RFNC-VNIEF(俄罗斯) 1979GEKKOXII ILE(日本) 15l(J/30) 12 1983 NOVA LLNL(美国) 45础f30) 10 1984 PHEBUS Limeil(里梅尔,法国) 10kJ/30) 1988ISKRA.5 VNIEF(俄罗斯) 30kJ/1.315 gm 12 1989 Beamlet LLNL(美国) 6.4U}3协 1994罗切斯特大学LLE oMEGA 40kJ/30) 60 1995 (美国) 卢瑟福.5可普尔顿实验 VULCAN 2I【J/2 1998室RAL(英国) 国外主要激光实验室相继建立了一系列高功率激光装置,用于激光聚变的实 验研究,表1.1列出了国外己有的主要高功率激光装置。特别是美国LLNL实 验室为了在实验室条件下进行核物理研究,从1974年至1984年短短十年中, 相继建成从LongPath到Nova等七台高功率钕玻璃(Nd:glass)激光装置,装 置输出能量与功率从不足100J、0.1TW提高到100kJ、100TW以上,如图 1.1所示。NOVA装置于1985年建成并投入运行。在此之后,又对它不断进行 升级改造,NOVA装置分成10路光束,能提供给靶场80-120kJ(3nS)的能量 或80一120TW的功率(100ps)。针对靶物理实验的需要,1990年又开始实施 精密Nova计划【191。精密Nova装置是LLNL实验室激光聚变研究的里程碑,为 核物理研究作出了实质性的贡献。精密Nova装置上进行的各类物理实验,证明 了激光惯性约束聚变达到热核燃料点火与燃烧的科学可行性。 12 博士学位论文一高功率钕玻璃激光系统的宽带三倍频技术方案研究 3)飞秒级高峰值功率激光装置;脉冲宽度为数十飞秒至百飞秒,脉冲能量 为数十焦耳以上,主要用于强场物理研究。代表装置有日本原子能研究所 (Japan Atomic Energy ResearchInstitute,JAERI)的850TW(1012W,太瓦) 激光装置1161,美国LLNL实验室输出功率200TW的JanUSP激光装置117J和我国 中心波长为800nm,脉宽为30fs,功率为280TW的SILEX-I装置【l珂。目前, 惯性约束核聚变研究中,中心点火和快点火两条技术路线是齐头并迸,激光驱 动器也呈现出相互融合的趋势,各国在大力发展纳秒高能激光装置的同时,也 不遗余力地建造皮秒和飞秒高能激光装置。 1.3.1.纳秒级高功率激光驱动器 表1-1.世界上已建成的高功率激光装置 激光装置名称 实验室名称 能量 建成时间JAl、兀,S LLNL(美国) 10 ̄20J/l 1975ISKRA.4 RFNC-VNIEF(俄罗斯) 1979GEKKOXII ILE(日本) 15l(J/30) 12 1983 NOVA LLNL(美国) 45础f30) 10 1984 PHEBUS Limeil(里梅尔,法国) 10kJ/30) 1988ISKRA.5 VNIEF(俄罗斯) 30kJ/1.315 gm 12 1989 Beamlet LLNL(美国) 6.4U}3协 1994罗切斯特大学LLE oMEGA 40kJ/30) 60 1995 (美国) 卢瑟福.5可普尔顿实验 VULCAN 2I【J/2 1998室RAL(英国) 国外主要激光实验室相继建立了一系列高功率激光装置,用于激光聚变的实 验研究,表1.1列出了国外己有的主要高功率激光装置。特别是美国LLNL实 验室为了在实验室条件下进行核物理研究,从1974年至1984年短短十年中, 相继建成从LongPath到Nova等七台高功率钕玻璃(Nd:glass)激光装置,装 置输出能量与功率从不足100J、0.1TW提高到100kJ、100TW以上,如图 1.1所示。NOVA装置于1985年建成并投入运行。在此之后,又对它不断进行 升级改造,NOVA装置分成10路光束,能提供给靶场80-120kJ(3nS)的能量 或80一120TW的功率(100ps)。针对靶物理实验的需要,1990年又开始实施 精密Nova计划【191。精密Nova装置是LLNL实验室激光聚变研究的里程碑,为 核物理研究作出了实质性的贡献。精密Nova装置上进行的各类物理实验,证明 了激光惯性约束聚变达到热核燃料点火与燃烧的科学可行性。 12 第。孥岛功率激光驱动器及j£i倍频装W综述 Energy,MJ 图1.1.美囤LLNL实验室强激光裟置发展刁意图 1993年初美困能源部就签署了关j:实施国家点火装置计划的“KD”(Key Decision),管-f.论证建造NIF装置的必要’Pt-斥li进}J二概念设计。1994q-:月能源 部形式启动NIF工程设计,1997年4月一I:程破:t-动I:。NIF是一台输出能量为 1.8 MJ的巨型钕玻璃激光装置,建设总经费~35亿美元,伞部192束激光已j二 2009年5月建成。NIF装置是Fj前世界f:规模最大的光学‘I:程,图1.2及图1.3 为NIF装置的概貌和总体设计效果图。NIF建成之后,人类订【叮能笫。次在实 验室实现激光惯性约束聚变热核材料的点火tj燃烧。 博十学位论文一高功率钕玻璃激光系统的宽带三倍频技术方案研究 NIF装置的结构参数及总体指标如下: 车激光束由192子束组成,每束口径4040cm,输出10l(J能量,总输出能量 1.8MJ,功率为500TW; 丰192束分成四大路,每大路由124列阵组成: 车激光装置大确厅面积200mx85m; 木靶场宽30m、高30m; 木功率平衡:<8%r/ns: 木靶瞄准精度:<50gm; 术高能发射次数(每年):产额l一100kJ,l00次;产额100—500kJ,35 次;产额5一l0MJ:lO次。 l口,R啊EI 图1.3.NIF装置总体设计效果图 为了保证计划的顺利实施,LLNL实验室加强了高功率固体激光技术与工程 的预先研究。1993年,为了全面考核与验证NIF总体技术路线和关键单元技术 ‘亏元器件,LLNL建设了单路科学原型样机【201(简称Beamlet),系统地研究与 论证了以“多程放大技术+组合式结构”为主的新一代总体技术路线的可行 件,发展与考核了组合式片状放大器、大口径电光丌关等一系列先进技术,大 人提高i了激光装置的性能和效费比,从技术、工程和经济l二为建造做好了准 备。。实王见了在O.35 um波段、3ns脉宽输出6.4kJ的能量,从钕玻璃的l岬波 段i倍频转换至0.35gm波段的效率达80%,图1.4为Beamlet装置的概貌。 此外,在精密Nova卜针寸未来在NIFJ:所j玎靶丸的{i要特性,进行了必要的 分解‘实验研究,明确了惯性约束聚变对激光参数和性能的要求,为NIF工程设 计提供了物理依据。 14 第‘瞄商功率激光驱动器及jei倍频裟置综述 图1.4.LLNL实验室的Beamlet装置(左)和Nova装置(右)概貌 2002年12月,LLNL实验室完成了NIF首期出光的阶段目标。2003年5 月,NIF实现了第一组四束达标,并产生10.4kJ的能量(1pm波段),同时, 还论证了装置具订输}}{‘整形脉冲的能力,得到了比预期更好的光束质量,光 束J、HJ脉冲同步精度优于6ps;验讧E了NIF发射IhJ隔时问可由原设计的8小时缩 短到5小时,使年发射能/『J行希孽!提高到700发以I:。之后2005年又完成8组 激光器j匕153kJ红外波段的能l螽输…,当|l’『就已经是地球卜最高能量的激光。 线inereplaceableunit,LRU)r2005;t-JI:始安装,jr程速度也丌 盘fiDri快。2007q-:1 JJ所有一{i振荡器内的LRU安装完牛,控制I【!.脑也安装成功。 到了8月,192条主激光光束全部.I:线MJ,比世界最大的 Nova激光器还强40倍。2009年1月26F1,I.RU安装完毕,这是NIF最后的 亟要宝Jh"t。随后完成了激光定位,激光同步,顺畅运行分析等操作。2009年5 月,NIF装筲it-sI=落成典礼,2010将年丌腱兆焦能毓水以t的点火实验。 法幽政帕:J:1998年J1:始建造类似的激光装置,即LMJ激光装置113I,并上l在 关键技术和部件研究方【fI『,’jZ-旧联合进行。I。MJ装胃订以卜-儿个技术指标: 术总能氍2.4MJ,波K企0.35Ixm; 奉峰值功率600TW: 木脉宽3.5ns(整形』11脉宽为20IIS): 冰光束能砒、t':ilI,2nsIIf『tlJ『IIJl%7%: ps:木川i“tilI'il建:500I.uri,比取f:八.、J’焦、f‘【nifX为50plrl: 术先进的光束匀滑技术。 IMJ足’个包含240求激光的l岛能装胃,j£ ’f1.水激光的光路如l刘1.5所示。 城Ji4通放人器结构,腔-tI放订两个激}.1段,采川加分多路f簟输力‘案。一一个腔 博士学位论文一高功率钕玻璃激光系统的宽带三倍频技术方案研究40cmX40em,每8小束构成基本激光束组。前端将对240支放大器的每支发 送时间整形、空间整形和空间、时间平滑的1J低能量脉冲。在放大器的另一端 有一激光间,把光束传至靶区。光束在该处排列成四束一组,通过末级光学装 置与球形靶室连接。该装置包括l光转换成3to光的三倍频器和一聚焦光栅, 使紫外光能集中在靠近焦点放置的靶上。LMJ计划的初步设计评审已于1998年 开始,而对能充分代表LMJ的原型装置,即4X2光束组的激光组装线aser

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