“为了达到单个元件99.5%的效率,减少激光传输过程的损耗及元件表面污染引起的元件损伤,美国国家点火装置(NIF)严苛的洁净度是首要保证。”—— James A. Pryatel, William H. Gourdin阿珂玛基础服务有限公司和劳伦斯利弗莫尔实验室

高功率激光驱动装置中,减少光学元件上污染物的沉积引起的光束质量下降、以及污染导致的激光损伤来保持多条光束线路中每一条线路的光学效率是至关重要的。组合式片状放大器片腔内的洁净度,是制约组合式片状放大器性能提升的关键因素之一。由于组合式片状放大器内部存在着密封材料、粘结材料以及金属件,在大通量氙灯照射以及高能激光的辐照下会产生大量的气溶胶。

最近的研究表明,氙灯辐射是当污染物颗粒到达光学元件表面时光学元件损坏的主要原因。在氙灯辐照下,表面污染物的温度升高,熔化或分解大多数污染物颗粒,在光学元件表面产生局部热梯度与热冲击,使光学元件表面产生发丝裂纹,并进一步扩大。国内外学者对光学元件清洗程序与步骤、光学元件的使用环境要求以及污染物的沉降规律,进行了大量的研究。

关于污染物的起因,劳伦斯利弗莫尔实验室的S. C. Sommer等采用精确清洁度鉴定系统(SWIPE),以及用于分析非挥发性残留物和分子污染物的分析化学技术,通过统计NIF系统大小镜片的增透膜,发现疏松介质会吸收悬浮分子污染 (AMCs),进一步疏松后,会产生鬼像,降低增透膜性能;同时,小分子量有机物易挥发,大分子量有机物只有在蒸汽压附近易挥发,由于空间滤波器的压力约为5~10 torr(1 torr≈133.322 Pa),正好在大分子量蒸汽压附近,是AMCs来源之一。

安装过程中保证洁净的措施包括:移动洁净室、快接技术(连接过程中无其他引入污染的活动)和正压装配,而安装过程中人的因素影响很大。

基于模块化思想以及减少人为因素污染源,美国劳伦斯利弗莫尔实验室的John Horvath提出放大器的安装须在洁净度为百级的环境中进行,放大器底部须安装维护的结构,并通过密封转运小车进行放大器的在线安装与更换。

上海光机所联合实验室的王聪瑜针对神光Ⅱ激光驱动器,提出组合式片状放大器超净特种装校工艺技术方案。中国工程物理研究院的程晓锋等研究了神光Ⅲ主机装置组合式片状放大器顶部设计风机过滤单元,并详细介绍了洁净清洗、洁净检测、洁净保护等保障污染控制效果的技术手段。

以上技术针对的大多是光学元件本身的清洗,以及安装过程中的洁净控制。然而运行中的光学元件的洁净度维护是动态的过程,需要有效的流场优化设计以清除装置运行过程中产生的污染物。污染物与清洁气体之间的气固两相流耦合运动方式,以及组合式片状放大器内部流场的无漩涡流动方式的研究,国内外未见有比较成熟的研究报道。

由于组合式片状放大器内部腔体的洁净环境对其中的光学元件影响重大,同时氙灯抽运之后必须进行氮气或空气吹扫以降低污染物浓度,因此有效的流场设计就显得尤为重要。污染物颗粒与清洁气体之间属于气固两相流范畴,计算流体动力学(CFD)作为流场分析的有力工具,可令流场优化工作事半功倍。

随着工业的进步,在大规模集成电路以及生物医药领域,洁净室的设计和流场优化排布,是产品质量的重要保证。清华大学的Bing Wang在上供风底侧抽风洁净室中,利用相似原理,得到了简化的数学方法来评估平均速度和粒子浓度,并通过了CFD技术优化了室内流场排布。韩国汉阳大学Se-Jin Yoo利用欧拉算法模拟了颗粒沉降速度。天津大学的李岩,哈尔滨建筑大学的张维功等对矢流洁净室进行了模拟,用空气龄来判断流场推进过程。

影响洁净环境有三大因素:过滤装置、送风量和气体流动流型,国内外学者对主放大器洁净度维持的研究基本围绕这三个因素展开。但是目前,针对矢量化流动的主放大器内部洁净室的流动研究尚处于起步阶段。

所谓矢流推进,即气流并非保持单一方向, 而是在任何方向上都有可能。其净化机理既不同于非单向流洁净室的稀释掺混作用,也不同于单向流洁净室时均流线平行的活塞作用。它的流线并不平行,这一点和非单向流洁净室相同,但不同的是流线不发生交叉,因此不是靠掺混作用,仍然靠推出作用, 只是不同于单向流的平推,而是斜推作用。通过洁净气体矢量化流动产生的气流的斜推,将室内空气排至室外以达到净化空气的目的。


多程主放大器在矢量化洁净模式下的流场分布。(a)和(b)是光学元件表面流场形态,(c)和(d)是主放大器内部腔体流场形态。无论是光学元件表面和内部腔体的流场,其分布都无明显紊流,洁净气体的流动非常顺畅匀滑。

任志远等发表于High Power Laser Science and Engineering 2018年第1期的论文“Optimizing the cleanliness in multi-segment disk amplifiers based on vector flow schemes”,研究了矢量化吹扫组合式片状放大器的数值模型,通过实验确认了数值模型的有效性,经过优化的组合式片状放大器的矢量化吹扫模式可以更高效地达到并维持其所要求的洁净度等级。

综上所述,片状主放大器内部采用矢量化流动方式洁净吹扫,可以令主放大器内部以及光学元件表面流场分布无明显湍流,从而更快速有效地使组合式片状放大器内部及光学元件表面达到要求的洁净度。