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我国原子能科学研究院激光技术发展及其在核科学中的应用

发布时间:2021-05-24所属分类:科技论文浏览:1

摘 要: 摘要:激光是受激辐射放大光,其方向性好、单色性好、相干性高,且能量在空间高度集中。随着激光技术的快速发展,激光器成为继加速器和反应堆之后研究核科学的一种新手段。本文回顾了中国原子能科学研究院激光技术及其应用研究的发展历程,总结了准分子激光

  摘要:激光是受激辐射放大光,其方向性好、单色性好、相干性高,且能量在空间高度集中。随着激光技术的快速发展,激光器成为继加速器和反应堆之后研究核科学的一种新手段。本文回顾了中国原子能科学研究院激光技术及其应用研究的发展历程,总结了准分子激光技术、冲击波物理、超快超强激光技术、强场激光、激光核物理和光谱技术的发展现状和最新进展,并展望了“超级天光”综合激光装置、基于大型激光装置的物理工作和中小型特色激光器在核科学技术中的应用前景。

原子能科学研究院激光技术发展及其在核科学中的应用

  关键词:准分子激光;超快激光;冲击波;激光核物理;激光加速;光谱技术

  激光是外部光子激励下产生的受激辐射放大光,其原理始于1917年爱因斯坦提出的受激辐射概念。1960年,美国物理学家梅曼发明了世界第1台激光器———红宝石激光器。1962年,基于快速腔内光开关的激光调Q技术出现,提高了脉冲峰值功率[1]。我国的激光技术与国际同步发展,1961年我国第1台红宝石激光器研制成功,随后各种类型的激光器相继出现[2]。由于激光器发射的光子在空间和时间上高度集中,相位高度一致,因而可获得普通光源无法达到的高功率密度和极好的方向性、单色性和相干性,从而在工业、农业、医疗、天文、地理、科研等各领域中得到了广泛的应用。

  激光与核的结合起源于1964年王淦昌先生与苏联巴索夫院士各自独立提出的激光聚变的概念[3],这一设想成为目前国际上深入研究的惯性约束聚变科学概念的雏形。1978年,根据国外发展情况,王淦昌提出在中国原子能科学研究院开展电子束惯性约束核聚变的建议,随后由王乃彦、曾乃工、王文昌、马维义、龚堃、杨大为、冯奇、刘慰仁、梁延波、王碧丹、罗玉明、杜世刚、赵荣生、洪润生、戴春祥、王树茂、万春侯、许金奎组成了电子束约束聚变研究组,开始加速器的物理设计工作。在基本明确电子束与靶物质相互作用机制的情况下,中国原子能科学研究院惯性约束聚变研究团队否定了电子束作为聚变驱动器的可能,及时把研究方向转向氟化氪(KrF)激光聚变研究。1983年,研究室开展了电子束泵浦KrF准分子激光装置的研制[4],开始了激光技术在核工业中的研究工作。1995年,“天光一号”电子束泵浦激光装置建成,实现400J/200ns激光输出[5],我国准分子激光研究步入了国际先进行列,中国原子能科学研究院成为我国KrF准分子激光技术以及KrF激光惯性约束聚变研究的重要基地。2000年,“天光一号”主振放大系统(MOPA)光学角多路通过验收,装置的靶上激光辐照功率密度接近10TW/cm2[6]。2001年,建立了744nm/248nm全固态飞秒超快脉冲装置[7]。2010年,建成十太瓦超快超强激光装置,并于2020年升级至百太瓦。

  电子束约束聚变研究组现已发展成为具有激光技术、等离子体物理、激光核物理以及激光光谱等领域研究能力的激光综合研究室———强流粒子束与激光研究室,基于建成的激光装置,开展了激光技术、高能量密度物理、激光粒子加速等领域的研究。本文将介绍激光技术和应用在中国原子能科学研究院的研究现状和未来展望,为核工业的发展提供新动力。

  1自主建成“天光一号”高功率KrF准分子激光器并开展冲击波物理研究

  20世纪70年代末,在卤化物准分子激光问世后不久,美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的Ewing和Brau建议将此用于惯性聚变驱动器研究,并提出通过角多路编码技术压缩脉宽建立准分子激光驱动器的设想[8],之后美国、英国、日本等纷纷付诸实践,陆续建立了各自高功率准分子激光装置。高功率KrF准分子激光器具有输出波长短(约248nm)、激光带宽宽(约2THz)、本征效率高(约12%)、可重频(7Hz)运行的特点,在提升束靶耦合效率、抑制等离子体不稳定等方面具有独特优势,是一种发展聚变能源的优选驱动器[9]。美国、俄罗斯、日本、英国和我国先后开展了大能量电子束准分子激光泵浦准分子激光装置和光场调控技术的研发[10-13],充分显示了准分子激光的光束均化[14]和变焦能力[15]、脉冲形状调控能力[16]、激光器高效高重频运行能力[17]。预期在亚兆焦规模(250kJ)的KrF激光装置上即可完成直接驱动聚变的验证演示,实现100倍的能量增益[18]。

  中国原子能科学研究院建成的“天光一号”激光器是国内最大型的KrF准分子激光装置,采用主振放大结构,包含KrF激光前端、一级放电泵浦KrF准分子激光放大器、两级电子束KrF激光放大器、六路光学角多路系统、物理靶场等,6束激光靶面聚焦能量100J、脉冲宽度23ns、焦斑直径500μm。系统采用无阶梯镜诱导空间非相干技术(EF-ISI)和像传递技术,在靶上获得的辐照不均匀性小于2%,接近美国海军实验室NIKE装置的约1%,这是目前国内所有高功率激光系统具有的最好的光束均匀性。基于天光装置,先后开展了材料高压状态方程与冲击动力学特性、空间碎片模拟发射技术、激光直接驱动准等熵加载等研究。

  1.1电子束泵浦准分子激光装置的研发

  1984年,中国原子能科学研究院利用80GW强流电子束加速器横向泵浦KrF激光介质,首次获得6J的KrF激光输出。1991年,侧向电子束泵浦KrF激光实现了100J的能量输出。1995年,通过改建原有的电子束加速器和激光腔建立了双向电子束泵浦的KrF激光装置,“天光一号”激光装置振荡输出达到400J/200ns。同时,建立了“天光二号”装置用于kJ激光放大级的脉冲功率技术验证[19]。

  2000年,以LPX-150激光器为种子光源的“天光一号”MOPA角多路系统建成,系统采用两级电子束泵浦激光器进行激光脉冲放大,采用CHEL3300作前级放大器,并采用光学角多路的方式进行脉冲压缩,实现了100J/23ns的激光输出,靶上功率密度达1013W/cm2。2004年,“天光一号”均匀化MOPA角多路系统引入一级放电泵浦的激光器作为前级放大器[20],使系统各级放大器均工作在增益饱和状态(表1)。

  为开展光学角多路的建设,研制了高损伤阈值的光学镀膜,并建立激光损伤阈值的测试方法[21]。经过多年发展,KrF激光反射器件的光学损伤阈值已达5J/cm2,透射器件的损伤阈值达10J/cm2,接近国际先进水平[22]。

  近年来,正在深入研讨“天光一号”系统主放大器的优化方案,通过对脉冲功率源、二极管和激光腔的优化,实现kJ量级的激光能量输出[23]。

  1.2高功率准分子激光的时空参量调控

  2000年以来,“天光一号”准分子激光系统的优化主要着力于发展激光时空参量的调控技术、实现装置参数的集成测控。为改善激光对靶的辐照强度均匀性,在“天光一号”装置上先后对采用随机相位板、无阶梯诱导非相干和像传递技术匀化光束空间分布截面的效果进行了验证。最终选择采样放大自发辐射光源(ASE)辐照物孔的方法在系统前端获得高均匀性的近场分布截面,通过6束MOPA放大和像传递系统在靶丸上获得近平顶的远场光斑,有效焦斑直径400μm范围内辐照功率密度接近3.7GW/cm2,光强均匀性优于1%[24]。近期,在“天光一号”装置上开展利用光导匀化放大自发辐射光源的尝试,可有效提升光源利用效率,消除种子光源放电泵浦过程对光束截面均匀性的影响[25]。图1为“天光一号”装置光源光斑光强分布、靶面光斑光强分布及脉冲波形。

  激光脉冲的形状直接决定了靶的热力学参量加载过程,因此,激光场的时域参数调控,亦即脉冲整形,是开展激光束靶相互作用研究的内在要求。“天光一号”系统曾利用光学角多路结合饱和吸收体、SRS、SBS获得短脉冲输出。早期的脉冲整形是基于增益饱和效应的脉冲宽度压缩[26-28]。近年来,利用KrF准分子激光介质上能级寿命短的特点,发展了增益控制技术,通过与脉冲堆积技术相结合,已在系统光源上获得了具备冲击点火研究所需时域波形特征的非相干光脉冲[29]。

  “天光一号”装置在完成承担的科研任务的同时,先后完成脉冲功率装置开关改造、气系统和光电参量监控系统的升级改造,实现了自动充气、脉冲功率装置参数自动采集、激光参量的在线监控和关键部位的光束自动调节[30-34],集成调控系统已经初见雏形,为开展高速飞片加载等精密物理实验提供了有力支撑。

  1.3太瓦超快脉冲准分子系统研发

  太瓦到拍瓦的超强激光装置是开展激光核物理、聚变快点火和冲击点火的有力工具,但受制于光学材料的性能,目前主要运营和在建的超强激光装置多工作在红外波段。KrF激光波长在紫外区,发展太瓦超快脉冲KrF激光装置,可与主流超强激光形成互补,通过研究相关物理现象的波长效应,深入理解相关物理过程。

  “天光一号”装置的紫外超快激光系统采用固态种子光源/准分子激光放大器的混联结构,固态光源输出的三倍频百飞秒脉冲经一级放电泵浦准分子激光器放大后能量提升至50mJ,激光聚焦功率密度达1017W/cm2[35]。50mJ/420fs紫外激光脉冲经过单级电子束泵浦激光装置双程放大后,实现了2TW(2~3J/1.2ps)的激光输出[36]。由于KrF准分子的增益恢复时间接近2ns,对于“天光一号”装置的电子束泵浦激光放大器,180ns的泵浦时间足以承担60束超快脉冲序列的放大,理论上,现有“天光一号”装置即可获得百太瓦深紫外激光脉冲,脉冲对比度也会较单脉冲放大有所改善。目前,“天光一号”装置开展的KrF短脉冲激光的放大和组束研究[37-38],已实现四脉冲的组束和双脉冲的多级放大,为进一步获得数十太瓦激光脉冲奠定了基础。

  相关期刊推荐:《原子能科学技术》月刊,1959年创刊,国内外公开发行,全国性学术与技术兼顾的原子能类核心期刊。本刊主要收登核科学技术方面具有创造性的科技成果,旨在促进核科学与技术方面的交流、核技术与其他科学技术间的交叉渗透,推动核科技在国民经济方面的应用。栏目设置为“物理”、“化学”、“反应堆工程”、“技术及应用”。

  作为高能量密度物理研究的驱动器,高功率准分子激光向着更大能量[39]、更高功率[40]、更短波长[41]、更宽频带[42]以及高效高重频方向发展。高功率准分子激光装置可输出从深紫外(ArF,193nm)到可见光(XeF,480nm)波段的多波长激光输出,发展具备时空参量调控能力的高功率准分子激光装置,将极大拓展高能量密度物理的研究条件,为深入理解激光与物质相互作用过程提供支持。

  1.4激光驱动冲击波物理研究

  激光烧蚀薄膜材料产生等离子体,等离子体膨胀可驱动产生冲击波向材料内部传输,并使其获得超高速度。因此,通过激光直接加载或激光驱动高速飞片撞击加载两种方式可实现材料的动高压冲击波加载过程,并在靶材料内产生高温、高压、高密度的极端条件,从而在惯性约束聚变、高能量密度物理、材料科学、武器物理以及空间科学等领域有广泛应用。基于“天光一号”装置,开展了一系列的高压状态方程[43-46]、高速飞片发射[47-49]、高压声速测量[50]以及准等熵加载[51-52]等综合性的冲击波物理实验。

  1)高压状态方程

  高压状态方程是评价极端条件下材料性能的重要参数之一,通过测量靶样品内部的冲击波速度、粒子速度,结合冲击波雨贡纽方程可获得靶材的压力、密度、温度等物性参数。为满足惯性约束聚变、地球物理等方面的需求,国内外在液氘、碳氢材料、铁、硅酸盐等材料状态方程测量方面做了大量工作[53-56]。基于“天光一号”装置,通过辐照平面型、台阶型等不同结构参数的铝、铁样品材料,研究测量了其100GPa压力下的状态方程数据(冲击波速度与粒子速度的关系),如图2所示,铝材料内驱动产生的冲击波速度达9km/s,粒子速度达3.9km/s,对应的压力可达95GPa,密度被压缩至4.8g/cm3;铁作为地核内部主要成分,密度相对较高,高压特性更复杂,“天光一号”驱动可在铁内产生36GPa的压力,冲击波速度达5.2km/s,并被压缩到9.4g/cm3。

  2)高速飞片发射

  激光驱动可产生超高速飞片,高速飞片二次撞击靶样品,可驱动产生更陡峭的冲击加载,同时还可研究撞击破坏效应,因此在动高压加载、材料力学、ICF以及空间碎片等领域有广泛应用。美国海军实验室NIKE激光装置、日本GEKKOⅫ-HIPER、我国神光系列等kJ级激光装置在激光驱动高速飞片方面开展了大量工作,并驱动产生了10km/s以上的金属飞片以及1000km/s以上的CH薄膜飞片[57-59]。在“天光一号”装置上,采用侧向阴影照相与VISAR速度干涉仪诊断技术,研究了不同束靶条件下的高速飞片加速过程,掌握了5~15km/s高速飞片发射与诊断技术。侧向阴影图像如图3a所示,侧向阴影图像可准确获得飞片的飞行轨迹,获得飞片飞行的路径-时间关系,铝飞片在60ns的时间范围内保持近似匀速运动,速度达5km/s。改变束靶条件,飞片内的冲击动力学过程发生改变进而导致宏观的加速状态发生改变,典型的就是变加速运动。此时侧向阴影照相技术获得的路径-时间曲线可通过微分获得速度变化史,但受起飞时刻测量精度及复杂冲击动力学过程影响,存在较大的误差,因此其更适合于匀速运动或平均速度测量。相比之下,VISAR速度干涉仪诊断技术可通过条纹移动直接获取飞片的速度变化,干涉条纹图像如图3b所示,条纹连续的变化表征了飞片呈准连续加速过程,最终速度达13km/s。

  此外,基于“天光一号”激光装置,开展了激光驱动的高压声速测量[50],采用加窗VISAR法测量了35GPa下铝样品的Lagrange纵波声速为7.9km/s,与理论预估结果相符。采用激光直接驱动靶样品[51]、激光驱动气库材料[52]撞击靶样品等方式实现了20GPa的准等熵加载过程,开展了准等熵加载关键技术的研究。

  2自主建成百太瓦超快超强激光系统并开展强场激光物理研究

  1985年,Mourou等[60]提出啁啾脉冲放大技术以来,超快超强激光装置得到飞速发展,激光的峰值功率从TW提升至PW[61-62]。当激光峰值功率达到数十TW时,激光脉冲的聚焦强度超过1018W/cm2,相对论光学应运而生。目前国际上的超快超强激光装置超过100台[63],大部分装置的峰值功率为100~200TW,少量为PW量级,国内的主要研究单位为中国科学院上海光学精密机械研究所、上海交通大学、中国科学院物理研究所、北京大学、清华大学、中国工程研究院、中国原子能科学研究院等。

  2.1百太瓦超快超强激光装置的研制

  中国原子能科学研究院自主研制建立了百太瓦强场激光与等离子体相互作用的研究平台,包括百太瓦超强超快激光系统、靶室和真空系统以及相关诊断设备。

  百太瓦飞秒激光装置如图4所示,主要包括钛宝石飞秒振荡器、1kHz再生放大系统、脉冲净化模块、Offner展宽器、四通预放大模块、普克尔盒和法拉第隔离器、第1级六通放大模块、第2级四通放大模块、第4级四通放大模块和压缩器。再生放大系统提供1kHz、800nm、1.5mJ、35fs的超快激光脉冲,在空气中通过交叉偏振技术,利用3mm厚、切割角度为011的BaF2产生20μJ的高时域对比度的脉冲,转换效率为10%。然后通过Offner展宽器,展宽后的半高宽脉冲宽度为750ps,展宽后的脉冲通过Dazzler模块控制激光的光谱形状和相位,以减少增益窄化和补偿高阶色散获得接近变化极限的脉冲宽度。前3级多通放大的泵浦光均通过成像系统将泵浦激光从激光器的入口位置成像至钛宝石晶体,以提高泵浦激光在钛宝石晶体的光束质量并减少空间抖动。预放的四通放大模块利用20mJ的泵浦光获得500μJ的放大输出,然后通过普克尔盒切除ns尺度的预脉冲进一步提高激光的脉冲时域对比度,通过法拉第隔离器以防止激光回光损毁预放模块中的光学元件和Dazzler。第2级六通放大模块采用双端泵浦,泵浦光为140mJ,放大后的激光能量为40mJ。第3级四通放大模块采用双端泵浦并通过真空管道成像,泵浦光为2J,放大后的激光能量为800mJ。第4级四通放大模块也采用双端泵浦,并通过衍射光学元件(DOE)匀滑泵浦激光使得泵浦光在钛宝石晶体上的光斑为平顶光斑,泵浦光为12J,放大后的激光能量为5J,能量起伏为1.2%(RMS)。然后放大脉冲的直径从25mm扩展至75mm,进入真空压缩器进行压缩,压缩后的脉冲宽度为35fs,能量为3.5J,最终的输出功率为100TW。各级放大系统的输出光谱示于图5。

  2.2超快激光振荡器的研制

  在超快超强激光领域,除目前基于Ti:Sapphire的激光器外,半导体激光器的发展也对超快脉冲激光的进步起巨大的推动作用,特别是基于Yb掺杂晶体的超快脉冲激光器逐渐向全固化、高重复频率、高功率、小型化方向发展。未来的第3代超快超强激光器[64]的主要方向是基于Yb超快超强激光器作为泵浦源,通过OPCPA产生高重复频率的超快超强激光。在众多掺Yb3+晶体中,Yb:KGW和Yb:CGA具有优异的光学、热力学等综合性能,是目前发展较成熟的两种激光增益介质,为实现高功率的超快脉冲激光提供了强有力的支持。——论文作者:王钊,贺创业,赵保真,高智星,张骥,田宝贤,席晓峰,李静,吕冲,孟祥昊,刘秋实,班晓娜,胡凤明,张晓华,徐永生,张绍哲,马田丽,刘伏龙,路建新,陆泽,张海峰,李业军,向益淮,王雷剑,梁晶,戴辉,王华,郭冰*,姜兴东*,王乃彦*

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