神光Ⅱ激光装置研制 
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1 引言
高功率固体激光驱动器发展与激光惯性约束核聚变(ICF)研究是自20世纪70年代以来,激光领域能够体现国家重大需求的重要热点研究,世界范围内的科技强国均开展实施了相关研究计划[1-2]。神光Ⅱ装置于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装置研制过程中,实现了众多核心单元技术及元器件从无到有的跨越,形成的总体设计思想、总体创新集成等方面的突破,开启了我国高功率固体激光工程技术的新纪元,为我国下一代驱动器研制提供了坚实的基础,使我国成为在全世界范围内极少数具备驱动器全系统独立研发能力的国家。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[3-5]。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,也是我国在其后相当长的一段时间内进行聚变研究的核心平台之一,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**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[2]。
2 神光Ⅱ装置方案设计
服务于装置建设与物理需求,神光Ⅱ装置在光束列阵式构型、多程主放大构型、终端双靶室构型三个方面体现出前所未有的概念性创新,新一代国家ICF驱动器均沿袭了上述工程技术方案。在当时国内历史条件下,神光Ⅱ装置研制难度体现在28项严格的技术指标上,分解到各单元器件的参数要求,几乎达到了当时器件的理论极限,部分指标如
表 1. 神光Ⅱ装置部分设计指标
Table 1. Partial design specifications of SG-Ⅱ laser facility
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神光Ⅱ装置上述指标可归纳为6项驱动器重大能力需求:基频光输出能力需求、可聚焦功率密度能力和穿孔能力需求、三倍频输出能力需求、总体高稳定性工作及激光脉冲波形整形能力需求、8路激光全系统自动准直能力需求以及激光束打靶高定点精度能力需求。为此,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。
2.1 神光Ⅱ工程总体与主要分系统
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,主激光链路总体结构如
2.1.1 前端与预放大器分系统
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。该分系统发展了损耗调制型单纵模激光器,输出种子脉冲模式稳定且波形平滑,将冷阴极闸流管用于时空偏转驱动源,在国际上首次发展了新型时空变换脉冲整形技术,并率先应用于大型激光系统。在精密化工程中,发展了由单纵模光纤激光器、预脉冲削波、光纤放大器、集成波导振幅调制器等8个技术单元构成的全光纤集成波导前端。该前端在脉冲整形能力方面,输出波形稳定、整形波形多样可控、整形脉冲包络光滑,如
图 3. (a)前端高对比度预整形脉冲;(b)放大输出方波的11次叠加结果
Fig. 3. (a) High-contrast pre-shaping pulse from front end; (b) overlay square waves of 11 measurements for amplified pulses
预放大器分系统的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。该分系统研制了基于高破坏阈值介质反射膜的超高斯锯齿软边光阑,其结构与工作原理如
图 4. (a)锯齿软边光阑;(b)激光传输工作原理图
Fig. 4. (a) Toothed soft-edge diaphragm; (b) operating principle of laser transmission
图 5. 三次平衡后8路能量直方图
Fig. 5. Pulse energy histograms from eight beams after three-time balance
2.1.2 主激光放大器分系统
主激光放大器分系统的主要功能是实现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。
新型列阵式光路构型如
神光Ⅱ装置组合式无开关同轴双程放大器结构如
图 7. 同轴双程放大器(a)工作原理图和(b)实物图
Fig. 7. (a) Operating principle diagram and (b) physical view of coaxial double-pass amplifier
图 8. 用AVM功率平衡调试后8路基频输出脉冲的(a)波形图和(b)能量图
Fig. 8. (a) Waveforms and (b) energy histogram of 1ω0 pulses from eight beams of SG-Ⅱ after power rebalance with AVM
在装置放大器研制需求牵引下,研制的新型N31磷酸盐钕玻璃激光工作物质性能优良,并解决了软包边的氙灯辐照脱落问题,使我国成为极少数具备大口径钕玻璃生产能力的国家,如
图 9. (a)大口径钕玻璃工作物质;(b)大口径体吸收激光能量计
Fig. 9. (a) Large aperture Nd∶glass; (b) large aperture bulk absorption calorimeter
2.1.3 终端光学分系统
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如
图 10. (a) ICF靶室;(b) XRL靶室
Fig. 10. (a) Target chamber for ICF; (b) target chamber for XRL
高转换效率、高负载能力、高稳定且束间功率平衡的频率变换系统是三倍频驱动器的核心单元之一。神光Ⅱ的频率变换系统选择基于大口径KDP晶体的“Ⅱ+Ⅱ”类倍频与三倍频方式,实现三倍频激光外转换效率≥60%;通过调节频率变换系统倍频晶体相位匹配角、三倍频晶体相位匹配角与偏振匹配角三个主要参数,实现的三倍频能量不平衡度达到1.2% RMS,峰值功率不平衡度为2.1% RMS,前沿功率不平衡度为10%~13.2% RMS,如
图 11. 终端功率平衡后8束三倍频脉冲(a)波形和(b)能量直方图
Fig. 11. (a) Waveforms and (b) energy histogram of 3ω0 pulses from eight beams after power rebalance
终端光学分系统中的大口径光学元件,包括窗口镜、靶镜、防溅射板等玻璃元件以及KDP、磷酸二氘钾等晶体元件。在神光Ⅱ研制期间,高功率激光物理联合实验室自主开发了溶胶凝胶化学涂膜全套技术与工艺,在国内首次成功应用于终端光学元件,填补了国内强激光膜层领域的空白。在三倍频研制需求的牵引下,国内发展了大口径高质量KDP晶体生长及表面抛光技术,突破了美国的禁运,使当时成功用于神光Ⅱ装置的晶体口径达到
神光Ⅱ装置是国内首个实现全光路自动准直调整的驱动器,自准直系统采用“选好基准,以动制动”的技术路线,发展了有特色的动态阈值调整、强区中心跟踪、小步迭代跟踪、黑区中心跟踪等多种实用操作系统,使我国高功率激光装置调试技术发生了彻底变化,将神光Ⅱ装置全8束激光调试时间缩短至30 min以内,并保证全系统瞄准精度。
2.2 神光Ⅱ装置研制水平
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(3.5
表 2. 精密化神光Ⅱ装置与精密OMEGA装置性能对比
Table 2. Performance comparison between precision SG-Ⅱ and precision OMEGA laser facilities
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3 神光Ⅱ装置运行与成果
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%,如
表 3. 神光Ⅱ装置历年物理实验发次统计
Table 3. Statistics shots of SG-Ⅱ laser facility for physical experiments over year
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在聚变相关物理应用研究方面,神光Ⅱ装置历年累计用于聚变相关物理与应用研究的发次包括:2004年之前的2025发次、
神光Ⅱ装置自2008年开放实验以来,国内外科研机构在激光聚变、高能密度物理、高温高密度等离子体物理、实验室天体物理等研究中取得一系列原创性世界一流成果。比如:2010年,利用神光Ⅱ装置(含第9路)在实验室中对太阳耀斑中的环顶X射线源和重联喷流进行了实验模拟[8];2011年,对超新星遗迹激发的无碰撞冲击波过程进行了实验室模拟[9];2015年,对Herbig-Haro天体中超音速喷流偏折现象的实验研究获得成功,国内联合研究团队利用神光Ⅱ装置,近距离、可控制、可重复地对Herbig-Haro 110/270系统中的喷流偏折现象进行了实验再现[10]。
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朱健强, 陈绍和, 郑玉霞, 黄关龙, 刘仁红, 唐贤忠, 张明科, 徐振华, 沈丽青, 陈庆浩, 彭增云, 朱宝强, 竺庆春, 唐永兴, 张伟清, 唐福林, 刘凤翘, 毛楚生, 朱俭, 马伟新, 李学春, 杨琳, 王树森, 杨义, 蔡希洁, 林尊琪, 范滇元, 王世绩, 顾援, 邓锡铭. 神光Ⅱ激光装置研制[J]. 中国激光, 2019, 46(1): 0100002. Zhu Jianqiang, Chen Shaohe, Zheng Yuxia, Huang Guanlong, Liu Renhong, Tang Xianzhong, Zhang Mingke, Xu Zhenhua, Shen Liqing, Chen Qinghao, Peng Zengyun, Zhu Baoqiang, Zhu Qingchun, Tang Yongxing, Zhang Weiqing, Tang Fulin, Liu Fengqiao, Mao Chusheng, Zhu Jian, Ma Weixin, Li Xuechun, Yang Lin, Wang Shusen, Yang Yi, Cai Xijie, Lin Zunqi, Fan Dianyuan, Wang Shiji, Gu Yuan, Deng Ximing. Review on Development of Shenguang-Ⅱ Laser Facility[J]. Chinese Journal of Lasers, 2019, 46(1): 0100002.
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