神光II高功率激光实验装置研制
发布时间:2021-02-16 23:03

  惯性约束聚变(ICF)研究的长远目标,是实现可控核聚变,为人类提供理想的能源。高功率钕玻璃激光驱动器是目前国际公认的用于ICF物理研究最成熟的激光驱动器。

  在王淦昌、王大珩、于敏三位院士的倡议下,ICF研究得到了国家的大力支持。1993年确立了国家“863”计划惯性约束聚变主题,从而进一步推动了国家ICF研究和高功率激光技术的发展,也为神光Ⅱ装置的研制奠定了重要的基础。

  目前,我国研制的神光Ⅱ装置,在规模上处于世界上正在运行的ICF装置的第四位。神光Ⅱ装置的光束质量及运行输出指标要求已与当今国际高水平的大型激光驱动器光束输出质量水平相当。

  神光Ⅱ装置是由中国科学院、中国工程物理研究院、国家“863”计划支持的大科学工程项目。该装置是目前我国规模最大、国际上为数不多的高性能、高功率固体激光装置,是我国中近期惯性约束聚变重要实验平台。

  2001年12月底,神光Ⅱ装置通过了中国科学院、中国工程物理研究院联合主持的鉴定与验收。2002年获上海市科技进步奖一等奖。2003年获中国科学院杰出成就奖。

  该装置是一个集中了当前国内最先进的激光、光学、精密机械以及计算机控制等系统为一体的综合性、系统性高科技工程项目。它的建成与投入运行,标志着我国在这一领域的综合研究能力上了一个新的台阶,对解决人类未来能源问题及开拓国际最前沿的“高能密度物理”研究具有重要意义。

  神光Ⅱ装置由激光器系统、靶场系统、能源系统、光路自动准直系统、激光参数测量系统以及环境、质量保障等系统组成,是数百台套的各类激光单元或组件的集成,并在空间排布成8路激光放大链,每路激光放大链终端输出激光净口径φ230mm,具有两种脉宽1ns100ps,3种波长1.053μm,0.53μm 0.35μm的输出能力,该装置终端输出能量达到6KJ/1ns/1.053μm。

  神光Ⅱ研制经历了十分艰苦的过程,科研人员开拓创新,为全面达到神光Ⅱ装置最终要求的技术指标,采用了国产高性能元器件,独立自主地解决了一系列科学技术难题,使神光Ⅱ项目实现了我国ICF激光驱动器发展史上质的重大跨越,使装置实质性地跨入了当代国际最先进的高功率固体激光驱动器的行列,也成为国内由中国科学院和中国工程物理研究院高水平合作完成的大科学工程的典范。

  高功率激光驱动器的科学技术水平最重要的是高激光质量、耐用性、稳定性、可靠性,以及驱动器激光运行输出极高的重复精度。

  神光Ⅱ装置在研制过程中,独立自主地解决了一系列技术难题,创新集成了15项单元新技术。主要包括:(1)创新设计并研制成功的无开关同轴双程片状主放大器,在国际上首次投入运行。(2)在同轴双程主放中创新开拓的带滤波孔小园屏技术,解决了主放大器输出能力问题。(3)首创调Q型损耗调制单纵模激光振荡器核心新技术,在神光Ⅱ运行中获得国际同行瞩目的高稳定输出。(4)创新型高稳定性冷阴极闸流管控制的时空变换激光脉冲整形技术。(5)为解决激光靶精密瞄准问题独立发明的基频和三倍频严格同轴的高精度ICF靶场模拟光技术。(6)解决高均匀度线聚焦的凸柱面透镜列阵创新设计工作。(7)最新开拓的高激光破坏阈值介质膜平顶超高斯锯齿软边光栏技术。(8)化学法制做有特色的高激光破坏阈值三倍频晶体表面防潮增透膜技术。(9)高效快速自动准直技术,解决了激光装置全系统高精度自动准直、瞄准的关键等。

  截至2004年,神光Ⅱ装置已经累计提供运行打靶2 000多发次。开展了惯性约束聚变、X光激光等研究约20轮物理实验,获得具有十分重要意义的结果。其中ICF直接驱动打靶,获得单发4×109中子,是国际同类装置获中子产额的最好水平。开展的物理实验为我国ICF研究做出了重大贡献,标志着我国ICF实验已经真正跃上了一个短波长、大功率激光打靶的新阶段。

  神光Ⅱ装置经过多年的关键技术攻关和技术创新集成,最终集成的神光Ⅱ装置总体技术水平已达到当前世界同类装置前沿水平。主要表现在:(1)基频单束激光运行输出能量与美国OMEGA装置相同口径φ200mm单束运行能量750焦耳/ns相当。经过4年3 000发次以上包括激光调试运行激光运行,神光Ⅱ全系统没有一块钕玻璃激光片受到严重的激光损伤。(2)激光输出光束质量达到国际同类装置同等技术参数水平。表征光束质量水平的可聚焦功率参数指标为:3.5倍衍射极限范围内包含了70%的激光能量1ω0;8倍衍射极限范围内包含95%的激光能量 3ω0。神光Ⅱ装置与当今世界上最先进的在运行的OMEGA装置9倍衍射极限范围内95%激光能量技术指标相当。经过多年的物理实验、打靶运行,神光Ⅱ装置输出激光的通量、等效可聚焦功率密度和时空信噪比都达到了国际先进水平。为物理实验提供了高效的实验平台,确保了该项工作“十五”目标的超额完成。(3)标志激光驱动器设计和光束调控水平的激光光束近场填充因子达到约50%。计及光斑中心区黑区的影响,光束近场填充因子约60%,与日本Gekko-Ⅻ大型激光装置59%的水平相当。尚低于美国OMEGA装置75%的水平。(4)三倍频激光输出能力和稳定性是装置基频光束质量与三倍频技术实力的综合反映。神光Ⅱ三倍频激光输出以日常运行约60%的激光外转换效率和高稳定输出超过日本Gekko-Ⅻ涨落在30%—50%转换效率的日常运行结果。与美国OMEGA装置最高75%内转换效率相近。(5)神光Ⅱ装置采用“选好基准,以动制动”的新技术路线,采用有特色的CCD并行图像处理技术,用约30分钟时间即可实现全系统光路自动准直高精度调整,有效提高了光路自动准直工作效率,总体技术水平高于日本用四象限二极管2个多小时才可实现的Gekko-Ⅻ光路自动准直调整过程。

  神光Ⅱ装置的研制不仅为即将建造的下一代激光装置提供极为宝贵的科学技术经验,而且带动了我国材料科学(激光玻璃、激光晶体、非线性晶体)、精密光学加工与检验(λ/10高平面度、低粗糙度、大口径光学元件研磨技术、金刚石车床飞刀切削大口径KDP晶体技术)、介质膜和化学膜层技术、高质量大口径氙灯工艺、精密机械和装校工艺及高压电能源系统、快速电子学、控制电子学、二元光学技术等相关学科或技术的跨越式发展。而这些相关学科技术在国民经济中的应用前景将是相当可观的。

  神光Ⅱ装置的建成并投入运行,在我国的激光及光学界还具有特殊重要的意义。它标志着我国已具备研制高质量、更大型激光驱动器的综合能力,并将继续为我国的战略能源、惯性约束聚变、X光激光和高能量密度物理等前沿基础研究提供可靠的实验手段,具有潜在的经济效益和重大的社会效益。