飞秒和皮秒激光器标定X射线条纹相机性能研究

为激光惯性约束聚变(ICF)诊断,研制了一台 大动态范围X射线皮秒条纹相机系统。分别使用130fs 和8ps的紫外激光器搭建了X射线条纹相机的动态测试系统,标定了条纹相机的性能。两组 标定条件下, 实验结果显示,X射线条纹相机极限时间分辨率为5.0ps,动态范围 分别为513.7∶1和2237.1∶1。理论分析了 实验结果的差异由于光电子的空间电荷效应导致,其中包括时间弥散和技术时间分辨率中的 空间展宽。在 飞秒和皮秒激光激励条件下,飞秒电子脉冲的发射电流密度是皮秒电子脉冲的 61.5倍,飞秒电子脉冲的空 间电荷效应导致的条纹相机时间弥散和空间展宽更大,对条纹相机极限性能作用程度更大。 本文研究结果对 分析X射线条纹相机中时间和空间信息的物理机制具有重要作用,对优化设计条纹相机系统 ,激光测试和标定条纹相机性能具有指导意义。     

超短脉冲激光的新进展

里弗莫尔研究人员已拍摄记录了拍瓦激光的超短脉冲信号，并发现它们的新应用。此台拍瓦激光器已运转3年，常规产生500J以上的能量，脉宽500fs。利用它进行的实验评估了获得惯性约束聚变快点火器方法；产生了用于X射线照像的辐射或高功率电子；产生了用于核物理实验的高功率γ射线。     

基于石英球面弯曲晶体的X射线成像研究

为了诊断惯性约束聚变的聚爆靶的尺寸、形状、分布和均匀性等情况,利用X射线布拉格衍射理论,搭建了基于球面弯曲晶体的X射线背光成像系统。其核心元件是α-石英球面弯晶,α-石英晶体性质稳定,结构完整,反射率和分辨率高。弯曲晶体尺寸为65mm×20mm,弯曲半径为143.3mm。利用该背光成像系统进行了单色X射线背光成像实验。成像物体为3×3阵列的正方形不锈钢网格,利用接收装置磷屏成像板,得到清晰的Cr KαX射线背光源二维空间分辨,在9.6mm×28.7mm的视场范围内,其像的空间分辨率大约为83.3μm。实验结果表明α-石英球面弯曲晶体适合于X射线的背光诊断研究。     

神光Ⅱ激光装置研制

神光Ⅱ大型固体高功率激光装置是我国激光驱动器发展历史的里程碑,其成功研制使我国高功率固体激光工程与技术、聚变物理与基础物理研究实现了全面且本质的跨越式发展。简要概述了神光Ⅱ激光装置研制中创新发展的大量工程方案与技术手段,举例介绍了神光Ⅱ激光装置在近20年来的高质量运行中取得的众多有国际影响力的研究成果。经多方支持和多年持续发展,已经形成数万焦耳级纳秒激光装置、皮秒拍瓦以及飞秒拍瓦激光装置等,这些装置是我国惯性约束核聚变、强场物理、高能量密度物理等研究领域中重要的物理实验核心平台之一。     

惯性聚变能研究现状

评述了惯性聚变能(IFE)的现状,其要点为:向着内爆等离子体点火与燃烧演示前进中,劳伦斯·里弗莫尔国家实验室和法国原子能委员会波耳多实验的兆焦耳级激光系统建造.以直接驱动和间接驱动进行的中心点火将在本十年中期进行探索.在过去两年中,还对"快点火"进行探索.已用拍瓦级(1～0.1PW输出)啁啾脉冲放大加热固体和内爆等离子体.利用50～500 J/ps脉冲,可将固体靶加热至300 eV,以α射线光谱学、中子能谱等手段测量.还总结了模拟程序的发展研究、靶设计和制造、重离子束聚变、基于X射线源的Z箍缩与激光驱动器技术.     

贯性聚变能研究现状

评述了惯性聚变能(IFE)的现状,其要点为:向着内爆等离子体点火与燃烧演示前进中,劳伦斯·里弗莫尔国家实验室和法国原子能委员会波耳多实验的兆焦耳级激光系统建造。以直接驱动和间接驱动进行的中心点火将在本十年中期进行探索。在过去两年中,还对“快点火”进行探索。已用拍瓦级(1~0.1PW输出)啁啾脉冲放大加热固体和内爆等离子体。利用50~500J/ps脉冲,可将固体靶加热至300eV,以a射线光谱学、中子能谱等手段测量。还总结了模拟程序的发展研究、靶设计和制造、重离子束聚变、基于X射线源的Z箍缩与激光驱动器技术。     

可扩展至激光聚变点火的快加热

以短激光脉冲对被压缩聚变燃料进行快速加热，是产生核聚变能的一条有希望的途径[1]，已用新型快点火结构的实验规模进行演示[2]。本文描述将此系统加以改进，以更高功率的脉冲拍瓦(1015 W)激光产生快加热芯等离子体，它可以扩展至满尺度点火，大大增加聚变活动，同时在这些高许多的激光能量下仍然保持高加热功率。此项研究结果使我们在实现较廉价的满尺度快点火激光装置上又向前走近了一步。在先进激光聚变点火中[3,4]，用拍瓦激光产生的高密度、高能量电子瞬时加热被压缩聚变燃料，以高耦合功率使之达到点火温度[5]。日本以一台拍瓦激光…     

频率上转换为激光核聚变提供了乐观的前景

1980年，利用高功率激光器产生能量的惯性约束聚变研究科学原理上接近成熟。美国、欧洲和日本用新设备演示的实验结果表明，在八十年代中期，惯性约束聚变可以释放出有用的能量。诊断技术与仪器、特别是X射线测试设备也随之发展，因此正在出现可以精确预言靶的性能的大量基础数据。材料科学和光学技术，特别是激光元件的发展，对提高高峰值功率驱动器的性能作出了重要的贡献。     

X射线背光成像诊断的球面晶体分析器研究

在激光约束聚变和箍缩聚爆实验中,为了分析内爆 靶丸推进层的运动过程和评估激光辐射驱动的对称性和均匀性, 需要得到靶丸内爆单色X射线二维空间分辨信息。为了诊断内爆高温等离子体X射线二维空间 信息,利用晶体布喇格衍射 原理研制了新型的成像系统。系统的核心元件为球面晶体分析器,球面晶体为云母球面晶体 ,弯曲半径为143.3mm。在中 国工程物理研究院进行了单色X射线背光成像实验,磷屏成像板获得了清晰的Cr靶单色X射线 二维网格图像。通过对实验 所得背光图像分析,云母球面晶体成像系统得到的空间分辨率为86 μm。实验结果表明,云母球面晶体可以应用于等离子体X射线的背光成像诊断研究。     

皮秒拍瓦激光的参数测量系统可靠性分析

皮秒参数测量系统用于提供皮秒拍瓦激光系统的各项状态参数,协助激光系统达到预期的技术指标。针对皮秒拍瓦激光系统的技术指标,皮秒参数测量系统将提供压缩脉冲的能量、脉宽、远场、信噪比等参数。为了判断参数测量系统的工作性能,采用均方根(RMS)误差来描述测量系统的可靠性。经过实验测试,能量测量单元的测量范围为10～1000J,标定实验数据的RMS误差为2.2%。脉宽测量单元的时间测量范围为0.5～18.0ps,时间分辨率为0.07ps,测试数据的RMS误差为3%。远场测量单元的空间测量范围为150倍衍射极限(DL),空间分辨率为0.3倍DL,测试数据的RMS误差为0.15%。信噪比测量单元的时间测量范围为30ps,时间分辨率为0.3ps,动态范围为106。基于拍瓦实验提供的测试数据表明,皮秒参数测量系统能够稳定可靠地提供以上参数的实时测试数据,实现拍瓦装置的运行状态诊断功能。     

流体不稳定性实验中条纹相机像场畸变的影响

针对激光惯性约束聚变研究中的流体力学不稳定性问题,分析了X光条纹相机固有的像场畸变对惯性约束聚变研究中瑞利-泰勒不稳定性面向背光实验结果的大范围影响,利用非线性插值、非线性坐标变换及代数方法提出了针对该问题的专门的数据处理方法,并给出了一个在实际实验数据处理中的应用例子。实验表明,该方法能有效消除瑞利-泰勒不稳定性面向背光实验结果中的全局像场畸变影响。该方法结合傅里叶分析技术,较好地还原了扰动界面的真实频谱分布。     

飞秒激光标定X射线条纹相机的时间特性

受激光惯性约束聚变诊断需求,为神光Ⅲ研制了一台工程化X射线条纹相机系统。使用130 fs钛宝石激光器搭建了X射线条纹相机的动态测试系统,标定了条纹相机的时间性能。实验结果显示X射线条纹相机的时间晃动13.7 ps,四个挡位的固有延时为26.3 ns、31.5 ns、41.2 ns、68.6 ns,全屏时间为1.9 ns、3.9 ns、7.9 ns、14.5 ns。相机的四个时间量程跨度一个数量级,且具有近似的2次方关系,可以兼顾不同超快脉冲测量和对比。该相机时间性能优良,可以满足目前我国激光聚变诊断研究对X射线条纹相机的需求。     

惯性约束聚变激光装置系统可靠性研究

惯性约束聚变（ICF）激光装置是国家安全、能源和科学研究水平的重要标志，它的稳定运行与否对于惯性约束聚变装置的建造具有重要的决定作用。可行性作为惯性约束聚变激光装置稳定运行的最重要度量指标，表征了惯性约束聚变激光装置在使用中能保持正常工作状态或完成规定任务的能力。这种能力只能通过一系列针对惯性约束聚变激光装置的系统可靠性研究，并运用这些研究结果对惯性约束聚变激光装置实施有效的可靠性控制而得到保证。近几年来，国内外在惯性约束聚变激光装置可靠性研究方面开展了许多工作，并取得了很大进展。本文对这些进展进行了综述和分析，并提出开展下一步研究的思路。     

激光等离子体X射线成像诊断研究

为了诊断激光等离 子体X射线二维空间信息,基于Bragg衍射原理建立了等离子体X射线背光成像系统,其核心 元件为石英球面弯曲晶 体,弯曲半径为143mm。在中国工程物理研究院神光III原型激光装 置上,利用建立的系统,进行了单色X射线背光成像实验,激光聚焦到平面 Mg靶中心聚爆产生高温等离子体X射线为背光源,成像物体为15μm ×15μm网格阵列,X射线CCD得到了清晰的Mg靶 单色X射线二维网格图像。通过对背光图像分析,在7.8mm×2.6mm的视场范围,成像系统得到空间分辨率为5μm。实验 结果表明,基于石英球面弯曲晶体的X射线背光成像系统可以用于等离子体X射线诊断研究。     

用于激光聚变的X射线条纹相机阴极检测系统

研制了一套X射线条纹相机光电阴极检测系统,用于激光惯性约束聚变中阴极的快速标定和检测。通过三位一体的条纹变像管设计,条纹变像管电子光学系统的优化,真空室、控制系统的制备,系统的装调、集成和测试,研制了光电阴极检测系统。组建了阴极系统静态测试平台,标定了其静态特性,测试结果显示:3条条纹像中心的偏移率在狭缝方向为2.8%,在垂直于狭缝方向为6.6%,平均放大倍率1.29,误差在0.8%,边缘空间分辨率大于10 lp/mm。该系统可以满足激光聚变诊断研究对于X射线条纹相机光电阴极的检测需求。     

用于高能短脉冲激光的光纤前端系统的展宽与放大特性

光纤技术为惯性约束聚变激光驱动器前端系统提供了许多便利,如便于分路、鲁棒性和稳定性.提出了一套全光纤前端的方案来适应未来高能拍瓦激光装置对种子源的需求.实验研究了这套用于产生高能短脉冲激光的光纤前端系统的啁啾脉冲展宽与放大特性.采用锁模振荡器的相位锁定信号作为系统的参考时钟,将各级光开关器件进行同步.系统采用波导幅度调制器来选取需要的信号重复频率,并用声光调制器(AOM)对放大器级间放大自发辐射(ASE)光进行抑制.通过大模场光纤放大器后系统输出啁啾脉冲峰值功率4.1 kW,脉宽760 ps,输出脉冲稳定.鲁棒性、高可靠性和使用便捷的优点使这套前端系统为高能拍瓦激光装置提供了一种可选择的种子脉冲产生方式.     

高功率激光可以引发核裂变

卢瑟福·阿普尔顿实验室的科学家已经演示 ,现有的高功率激光器可在一些核物理和等离子体物理实验中取代核加速器。在较为普通的实验中 ,他们已用太瓦级激光产生等离子体感生 γ射线 ,具有足够的能量以引发核裂变。劳仑斯·里弗莫尔国家实验室的另一研究组已用拍瓦激光器获得核裂变。虽然两者的研究有些差别 ,但其实验均演示激光感生核裂变的可能性。英国科学家的实验使用卢瑟福的“火神”激光器。这是一个高功率 Nd∶玻璃激光系统 ,可在 1 0 5 4nm产生纳秒脉冲 ,能量高达2 .6 k J,或皮秒脉冲 ,功率为 1 0 0 TW。该激光使用啁啾脉冲放大 ,…     

X射线分幅相机发展研究

X射线分幅相机是最有效的惯性约束聚变(Inertial Confined Fusion,ICF)诊断工具,具有良好的时间分辨、二维的空间分辨和动态范围大等优点.介绍X射线分幅相机经历的四个发展阶段,详细分析当前发展阶段行波选通型分幅相机,阐述了最新的X射线分幅相机研究结果,预测了未来X射线分幅相机的研究方向.     

《激光与光电子学进展》2003年No.1~No.12总目次

期·页期·页期·页综合评述纳米光镊技术———新兴的纳米生物技术………………………………………1·1微光机电系统:应用领域及近期进…展1·6生物光子………………………………学5·1激光混沌保密通………………………信5·7激光核聚变惯性约束聚变激光装置系统可靠性研………………………………究1·12可扩展至激光聚变点火的快加……热1·16快点火可能为聚变提供快捷途……径1·17快点火实验成功使聚变能竞赛升…温1·18以拍瓦激光加热的聚变能点火实…验1·18纽约州为激光聚变研究投…………资1·1921世纪的惯性聚变科学技…………术6…     

皮秒自相关仪的性能测试研究

为了实现皮秒拍瓦激光的精密测试,研制了专用的皮秒自相关仪。选用无色散元件,提高了测量结果的可靠性。采用自标定方法标定时间分辨率,用超限法标定时间测量范围,用极值法标定脉冲响应特性。实验结果表明,皮秒自相关仪的时间分辨率为0.1ps/pixel,时间测量范围为26ps,脉冲响应特性的值为300fs。该皮秒自相关仪能够满足皮秒啁啾脉冲的时间宽度精密测试要求。