激光驱动器靶场光路导引系统的排布

靶场光路导引系统(BGS)具有两个功能,一是将主激光的列阵排布转变为满足打靶激光要求的球形辐照结构,二是保证所有光路等光程传输到靶室中心。主要研究了主激光和打靶激光的传输模型以及它们之间的编组方式。结合靶室入射法兰口分布的对称特性,提出传输子单元概念来简化系统的排布。首先,综合考虑反射镜的种类和数量以及靶场的空间大小,确定传输子单元的具体模型以及靶场的对称划分方式。再根据激光偏振态和光路无交叉限制,得到主激光和打靶激光两种可能的传输模型。通过分层定基线算法,结合物像传递关系,确定具体的编组方式,从而最终得到整个BGS的排布。     

利用Pro/E族表进行靶区光路参数化设计的方法介绍

惯性约束聚变(ICF)物理实验要求大型激光装置靶区光路按照一定角度对称入射靶的两端,利用Pro/E族表对相同特征的光束进行参数化设计,实现了靶区等光程光路排布,满足了物理实验要求.     

激光传输数值模拟数据的三维可视化研究北大核心CSCD

大型激光装置具有结构复杂、设计与仿真模型众多以及数据多样等特点,并且设计与仿真结果通常使用不同的软件平台进行展示,没有形成统一的集成平台和数据可视化及交互系统。针对上述问题,提出了一种基于三维引擎Three.js和数据可视化库Vis.js的激光传输数值模拟数据三维可视化方法,并开发了相应的可视化系统。首先给出激光传输数值模拟数据三维可视化系统的体系结构,然后对功能模块的划分和关键算法进行设计,并给出系统的实现手段,最后对系统运行效果进行展示与总结。结果表明,所开发的系统可用于大型激光器激光传输结构设计结果和模拟数据的可视化,能有效改善激光驱动器光路设计和传输模拟的可视化效果。     

ICF装置光束定位的结构稳定性设计

激光驱动ICF装置的甚多束激光在打靶过程中需要高精度定位于靶面,这就要求可以改变光束着靶点位置的光学元件满足定位误差指标要求。首先介绍光束定位误差分解方法,在光束对准过程中和打靶前,在多源激励作用下能改变光束着靶点位置的光学元件需要评估其支撑系统的稳定性设计,发展了光学元件稳定性指标分解方法用于其支撑系统的稳定性评估。从基频、环境随机振动、模态阻尼的角度讨论了支撑系统振动稳定性设计思路。光学元件的通用支撑系统采用大而重的钢筋混凝土和钢结构的混合结构,钢筋混凝土保证光学元件稳定性的同时,钢结构提供结构设计的灵活性。采用有限元技术分析光学元件在宽频环境随机振动作用下的响应,评估支撑系统的振动稳定性设计。描述了神光Ⅲ宽频环境随机振动和光束定位误差的测量,测量结果表明神光Ⅲ支撑系统满足设计要求,该技术能应用于激光驱动ICF装置支撑系统的设计。     

漫反射成像法的激光参数测量系统设计

精确地测量激光在大气传输后的光斑参数,是研究激光大气传播效应和分析激光发射系统性能的关键技术手段。测量激光远场参数的方法主要包括阵列探测法和相机成像法,目前在激光大气传输效应的测量评估中大都采用阵列探测法。由于探测器阵列靶受物理空间和研发成本等因素的限制不能均匀且高分辨率紧密排布,将造成采样光斑的失真,难以精确地测量远场光斑参数。针对此问题,利用相机分辨率高的特点,设计了一套基于漫反射屏成像法的激光参数测量系统。该系统最小测量分辨力小于0.39 mm,质心位置平均偏差为0.05 mm,测量光斑到靶功率不确定度优于10%。该系统能有效地测量激光发射系统的跟瞄精度和到靶功率,为分析激光大气传输效应和分析激光发射系统性能提供有效手段。     

大口径激光二极管阵列端面抽运耦合系统设计模拟

根据光线追迹原理,研究用于端面抽运的大面阵激光二极管(LD)抽运源的耦合系统设计。结合当前大口径激光二极管阵列常用的空心导管型耦合系统,分别从耦合效率、抽运强度分布、抽运光传输等方面,讨论大口径激光二极管阵列耦合系统的一般设计准则,提出了将激光二极管阵列单元平面排布改为球面排布的办法。针对100 kW激光二极管阵列,将子阵列作球面排布后,仅用一空心导管来汇聚抽运光,这种设计获得了传输性能优良的大区域均匀分布的抽运场,抽运场起伏小于5%,抽运强度大于20 kW/cm2,耦合效率98%,有效抽运区域内效率达90%。     

激光武器“神光Ⅲ”又有新发展

2008年1月26号．“神光Ⅲ原型装置”关键系统之一“靶场光电及控制系统”顺利通过由中国工程物理研究院激光聚变研究中心在四川绵阳组织的验收。验收专家组一致认为,该项目组通过采用“基于高分辨率共轭式靶面传感器的靶定位与多光束弹着点精确引导与任意调控技术、基于先进机器人的自动换靶技术以及以打靶流程为牵引的靶场光机电集中控制等一系列先进的靶场综合控制技术”。实现了光束引导闭环化、打靶流程程序化、数据管理自动化,具备了开展物理实验的能力。通过原型装置2年试运行以及2轮物理实验考核．其主要性能和技术指标达到外协任务书和合同书要求,一致同意项目通过验收。     

激光间接驱动柱形腔壁辐照特性

在惯性约束聚变间接驱动装置中,针对柱形腔两端注入结构及其光路排布方案,建立了基于束匀滑技术的激光束传输模型。在此基础上,分析了激光集束在真空柱形腔腔壁上的辐照特性,并根据柱形腔整体腔壁光斑排布特性,对激光集束光路排布进行了初步优化。结果表明,随着入射角度的增加,激光集束在腔壁的光斑尺寸逐渐变小,而其在腔壁上的热斑比例无明显变化,偏振特性也基本保持一致。通过进一步分析所有激光集束在腔壁上的强度分布和热斑比例可知,内、外环激光集束在腔壁上的交叠区域将增大局部峰值强度,提高热斑比例。可以通过适当调节内环激光集束的焦面位置和入射角度来改善所有激光集束在腔壁上的辐照特性。     

高功率激光装置靶场光学系统的误差分析

基于高功率激光装置主激光束精确打靶的需要,应用误差分析方法为装置的工程实施和单元技术的改进提供理论指导.针对装置在每发打靶前多应用自动准直技术来消除存在的误差,而传统的误差分析方法即随机误差和传统误差又未能进行全面系统的分析,提出了新的激光瞄准误差分析方法:静态误差和动态误差的划分.通过对靶场光学系统全面的误差分析,获得激光瞄准精度的普适性公式,并验证了该误差分析方法的正确性和可行性.     

用改进的透射光栅谱仪定量测量x射线能谱

利用最新研制的小型化透射光栅谱仪在“神光Ⅲ”原型实验装置上测量了激光注入金腔靶时激光注入口的X射线能谱,首次实现了在上极点附近对柱腔注入口辐射的测量,且实现对x射线的二维空间分辨和谱分辨的测量。改进后的透射光栅谱仪成像系统首次使用一种错位排布的狭缝阵列结构来解决因谱仪尺寸减小带来的能谱分辨问题,并同时达到提高系统空间分辨能力的目的,实现了ICF实验研究中对移动方便和高空间分辨的需求。     

大口径八边形钕玻璃片支撑系统的光机集成分析

控制由机械装夹方式所引入的波前畸变以提高惯性约束聚变(ICF)输出光束的质量,是在大口径钕玻璃片主放大器结构设计中必须考虑的。提出了一种新的有限元变形结果与光学元件面形畸变之间的数据处理方式,并与传统方式进行了对比。基于新的数据处理接口,利用光机集成分析方法对大口径八边形钕玻璃片的支撑系统结构设计参数进行优化。优化的结果保证了由支撑系统引起的透过波前畸变小于十分之一波长,同时波前畸变与设计参数变动的相关性最小。     

受激旋转喇曼散射对强紫外光光束质量的影响

在惯性约束核聚变中,为了获得最佳的燃料压缩,到达靶上的光束能量必须均匀,要求有非常好的光束质量。采用瞬态受激旋转喇曼散射(SRRS)模型,对强紫外激光束在空气中长程传输过程产生的SRRS效应进行了研究。讨论了产生SRRS效应的阈值条件,以及衍射效应和光强热斑对强紫外激光光束质量的影响。研究结果表明,衍射效应对阈值条件影响较小,但却使激光光束质量下降,光强热斑则不仅使SRRS效应的阈值降低,而且还会导致激光光束质量明显变差。     

受光阑限制离轴高斯光束的解析传输

激光束的传输特性在激光技术应用中有着重要的意义。光束的解析传输问题是激光光学中的难点之一。从Collins公式出发，详细研究了离轴高斯光束(OAGB)通过有光阑近轴ABCD光学系统的传输特性，推导出了受硬边光阑、高斯光阑或余弦光阑限制的离轴高斯光束通过近轴ABCD光学系统的解析传输公式，并讨论了硬边光阑、高斯光阑或余弦光阑之间的关系。数值计算证明了所得公式的正确性和优点。分析了求解受多光阑限制的激光束通过近轴ABCD光学系统的解析传输公式的困难性，结果表明，其困难性在于受单光阑限制激光束的解析传输公式中含有误差函数。     

阵列透镜测量仪的设计与应用分析

为了解决500mm以上大口径光束波前的实时测量问题,设计了一种波前测量系统,即透镜阵列测量仪,其最大优点是避免了现有的H-S波前传感器所面临的大口径缩束器的加工难题。介绍了该测量系统的组成结构及其测量原理,分析了测量系统在设计中的参数选择,并根据具体的系统参数讨论了测量系统的检测性能。在此基础上,利用数值模拟对1200mm口径光束进行了波前测量的仿真实验研究,分析了测量过程中系统标定对透镜阵列测量仪的作用。仿真实验表明,透镜阵列测量仪能够实现大口径光束的波前探测。     

激光淬火过程中光的干涉和衍射结构的热作用研究

为提高激光热处理的质量,国内外利用光束分割再重新复合的方法,研究成功不少光学系统.由于激光是高相干光,光的干涉及衍射结构使复合光斑的功率密度分布复杂化,严格研究热处理过程中光与材料的相互热作用变得非常困难.在文献[1]中,我们从一个简单的光学系统研究出发,从理论上证明,当光的干涉和衍射条纹的间距相较于作用光斑的尺寸而言甚小时,可以忽略这些条纹结构对金属材料热处理的影响,并可以利用几何光学所预言的激光功率密度分布来进行有关的热学计算,为使这个结论更具有一般性,本文导出便于使用的判断光的干涉及衍射结构的热影响可否忽略的表达式,同时给出实验结论.     

Optical beam direction compensating system for board-to-board freespace optical interconnection in high-capacity ATM switch

In interconnections between bookshelf-assembled asynchronous transfer mode (ATM) switch boards, a large number of micro-optical signal beams can be optically interconnected by a beam direction compensating system using a vertical cavity surface emitting laser, an x-y beam positioning sensor and a beam deflector made of an adjustable liquid prism. This beam direction compensating system can suppress the decrease in coupling efficiency between transmitters and receivers to no more than 15%, even if boards are inserted and extracted repeatedly, and are shocked repeatedly at a high intensity of 100 G. The compensation is very fast (20 ms). Furthermore, various optical interconnections necessary for ATM switching networks can be achieved by beam deflectors of a liquid crystal microprism array. In this preliminary study, we fabricate no more than eight-channel optical interconnections. However, since one surface emitting laser diode can have many channels in a small area (64 channels per 4 mm²) and the aperture of this adjustable liquid prism is wide (28 mm in diameter) and uniform, a huge number of optical interconnection channels is possible using this system     

神光-Ⅲ原型装置多路激光近红外时间波形测量系统

为了解决大型高功率激光装置激光脉冲宽度窄、光束口径大、路束多,以及输出光束远场漂移量大等特点导致的激光脉冲时间波形难以准确测量的难题,研制了多路激光近红外时间波形测量系统。该系统使用光束匀滑进行光纤耦合取样的方法,采用时分复用的光纤传输技术,实现了神光-Ⅲ原型装置8路纳秒激光脉冲时间波形的测试。结果表明,通过对2008年度原型装置时间波形的测量数据分析,该测量系统的测量相对扩展不确定度小于2.5%,提高了系统的抗干扰能力和可靠性,同时也降低了激光装置参量诊断系统的建造成本。     

非相干叠加激光发射系统光学设计

介绍了一种适用于三束激光非相干叠加聚焦的新型激光发射光学系统,工作波长1 080 nm,全视场角0.6。系统为离轴两镜反射结构,对三束紧密排列的激光光束进行扩束聚焦,系统主镜为口径303 mm的椭球面反射镜,系统像质接近衍射极限,并且可以通过控制次镜轴向位置调焦适应不同目标距离。计算了叠加后的激光光斑的功率密度分布和环围功率曲线,设计在目标距离1 000 m时叠加光斑半径9 mm内的环围功率大于95%,此激光发射系统结构简单,长径比小,聚焦质量满足使用需求,激光光斑能量得到有效叠加。