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惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion,ICF)是实现可控热核聚变的一条途径,成为当今国际上的重大基础科研领域,对国防科技和新能源的开发有着重要的科学意义和应用价值。现ICF研究已发展成为包括物理理论、诊断、制靶、物理实验和驱动器等五位一体的综合性研究领域。激光驱动器的研究是其中的关键,它是当今脉冲功率最高、规模最大,因而也最复杂的激光系统。
终端光学组件作为驱动器激光传输链最后的单元,需实现真空密封、谐波转换、色分离、焦斑控制、激光聚焦和激光参数测量等功能,是复杂的光学系统,成为驱动器发展重要而关键的单元之一。这就需要对终端光学组件进行全面的研究,一方面结合工程研制和物理实验的要求,提出组件的基本构成;另一方面对组件进行集成优化分析,由此使组件的功能得到扩展、性能得到提升,更能满足物理实验不断提出的需求,这正是本文开展研究基于的思想。
开展的研究主要包括以下几个方面:
一、分析终端光学组件的现状和发展趋势,确定其实现的基本功能和构成元件。
终端光学组件是集真空密封、谐波转换、谐波分离、激光聚焦、焦斑控制和激光参数测量等功能于一体,包括了窗口玻璃、倍频晶体、聚焦透镜、衍射光学元件和防溅射板等光学元件,分析比较了实现同一功能的不同光学元件或方式的优缺点。这样,结合工程研制的风险控制和物理实验的要求,可以确定实现一定功能的终端光学组件的基本构成。
二、对终端光学组件开展集成优化分析,来提升组件的性能,并为组件的研制提供指导。
终端光学组件的集成优化需考虑的因素为:1、因光学元件表面反射产生的杂散光分布;2、激光高通量传输时光学元件累积的B积分情况;3、高通量激光传输,导致光学元件对激光近场分布的调制;4、各衍射光学元件相互间的影响,以及对倍频晶体转换效率的影响;5、组件结构的稳定性。目前所开展的分析主要为聚焦透镜的“鬼像”分布、组件的B积分累积和实现一定功能的组件的结构稳定性分析。
三、根据“神光”Ⅱ装置第九路系统的实际情况,开展终端光学组件的研制。
应用有限元分析法进行终端光学组件的稳定性动、静态分析,来优化设计结构,使组件的稳定性达到3.12μrad。同时开展基于楔形板实现三倍频谐波分离的实验,实验上第九路系统的激光运行通量达到2.8J/cm2,该技术的研究对高功率激光装置三倍频谐波分离和精密测量的改进,具有重要的意义。
对终端光学组件的研究,有助于我们全面地寻求单元技术与系统的关系,可以通过有目的地选择和改进部分单元技术,来实现系统的功能和提高其性能。本论文探讨了高功率激光装置终端光学组件的研究,对提高驱动器激光运行通量具有一定的指导意义。