謝靜 王利 劉崇 張艷麗 劉強 汪濤 柴志豪 夏志強 楊琳 張攀政 朱寶強

(中國科學院上海光學精密機械研究所,高功率激光物理聯(lián)合實驗室,上海 201800)

1 引言

慣性約束核聚變對未來清潔能源發(fā)展具有重大意義,是各科技強國爭相開展部署的戰(zhàn)略制高點,研究的關鍵在于建立高能量高功率激光驅動器.目前美國NIF、法國LMJ、中國神光系列裝置是國際上聚變級激光驅動器發(fā)展主力[1-3].近年來物理實驗逐漸個性化、復雜化,不僅對裝置控制精度和運行效率提出更高要求,更對裝置的安全輸出能力提出進一步挑戰(zhàn).

高功率激光裝置安全運行能力主要受到基頻輸出能力、三倍頻效率、光學元件損傷3 個方面的影響.在裝置的激光放大鏈中,放大器的增益能力不僅直接影響基頻的輸出能力,更通過激光脈沖傳輸放大過程能流分布的變化影響激光的非線性相移,進而影響輸出光束的近場質量和光學元件的損傷[4,5].根據(jù)其機理不同,光學元件損傷主要分為功率密度損傷和能量密度損傷,兩者都直接受到近場質量的影響.激光束在光學介質中傳輸放大,總會產生與光強相關的非線性相移.由光學元件材料、加工缺陷、污染、損傷點等引起激光近場上的調制(包括相位型和振幅型)在非線性相移的作用下所產生的非線性放大或熱像,是激光近場產生強區(qū)進而引起元件損傷的主要原因之一[6,7].因此,通過提升放大器小信號增益系數(shù)和增益倍數(shù),在提升輸出能量的同時降低非線性相移、進而提升近場質量降低元件損傷是提升裝置輸出能力的有效手段.

中國的神光II 升級裝置于2015 年建成并投入運行,共8 束納秒激光,單束基頻最大輸出能力為8 kJ/5 ns 方波,可支持三倍頻到靶總能量24 kJ/3 ns 方波物理實驗打靶[8,9].隨著物理實驗的開展,物理對裝置不斷提出更高的能量要求,尤其是新型激光聚變點火研究,提出了集高峰值功率、長脈寬、大能量、三角波形為一體的復雜打靶要求[10,11].近兩年來,升級裝置通過采用新型釹玻璃、增加釹玻璃數(shù)、提升氙燈儲能配置等措施,實現(xiàn)主放大器系統(tǒng)小信號增益系數(shù)和總增益倍數(shù)分別從4.15% cm 和9000 倍向4.94% cm 和118000倍的大幅提升,進而在提升裝置基頻輸出能力的同時,降低了激光近場的小尺寸調制,為裝置實現(xiàn)更高打靶能量和高峰值功率下的安全運行奠定關鍵基礎,推動中國高能密度物理前沿和激光聚變研究快速發(fā)展[12-14].

2 主放大器改進措施及其影響

2.1 放大增益理論分析

大型高功率激光裝置超過90%的能量由主放大器系統(tǒng)提供.神光II 升級裝置主放大系統(tǒng)采用2 程助推+4 程腔放的結構.如圖1 所示,從預放大單元輸出的激光束注入到傳輸空間濾波器中被反射至包含5 片釹玻璃的助推放大器進行第一次放大,在偏振片、大口徑普克爾盒、腔鏡和變形鏡的協(xié)同作用下,4 次通過腔空間濾波器及包含8 片(現(xiàn)增至9 片)釹玻璃的腔放大器后,再次經過助推放大和傳輸空間濾波器,最終傳輸至靶場,即整個主放大過程包含2 次助推放大和4 次腔放大.

為方便計算脈沖激光在裝置放大鏈中的能流分布,此處忽略激光近場的分布不均勻性,則脈沖激光的放大過程滿足[15]:

其中A(z,t) 為激光脈沖時間包絡,γ(z) 為激光介質非線性系數(shù),g(t) 為放大器增益系數(shù):

其中g0為小信號增益系數(shù),Isat為飽和光強,Δn為上轉換粒子數(shù)密度,與釹玻璃摻雜濃度n0、激發(fā)概率W和上能級壽命τ正相關,σ為受激發(fā)射截面.由此可見,采用具有更高摻雜濃度、更大發(fā)射截面和更長熒光壽命的釹玻璃增益介質,可有效提升放大器的增益能力.

激光與物質相互作用本質上是激光與介質極化電場之間的相互作用,強光影響下的自由電子的非諧振運動導致電偶極子的極化強度對于電場呈現(xiàn)出非線性,因而產生與光強相關的非線性相移.脈沖激光在主放大鏈中的非線性相移可用B積分來表征[16]:

其中k為入射激光的波矢量,n和n2分別為介質的線性和非線性折射率,I為入射激光光強,z為傳輸距離.此時考慮激光近場的調制變化,根據(jù)微擾理論,近場調制的強度變化表現(xiàn)出與B積分相關的非線性增長:

當近場調制增長到一定程度,微擾理論不再適用,此時調制在連續(xù)激光介質中的變化形式滿足包含自聚焦項的傍軸傳輸方程自恰解,峰值光強為I0的高斯光束可表示為[17]

其中f(z) 函數(shù)表征自聚焦絲成像,zR表示光束的瑞利長度,ω0為束腰半徑,當入射光強I0大于臨界光強Ic時,在經歷足夠長的激光介質后將出現(xiàn)f(z)=0,此時入射高斯光束將塌陷至細絲光束,激光強度急劇上升至元件成絲破壞.由此可見,有效控制主放大鏈中激光脈沖的B積分,是控制激光近場質量避免近場調制引起元件成絲損傷的有效手段.

2.2 釹玻璃配置改進

通過增加釹玻璃數(shù)來增加增益長度是提高主放大器儲能最直接的方案,在升級現(xiàn)有邊界條件下,釹玻璃數(shù)可以從8 片增至9 片,但深度飽和條件下B積分也將隨之劇增.為了降低B積分、提升裝置運行安全性,一般要求采用非線性折射率小、增益系數(shù)大、長度短的工作物質.從表1 可以看出,與裝置建成時主放大器采用的N31 型號磷酸鹽釹玻璃相比,新型N41 釹玻璃具有更高的摻雜濃度、更大的受激發(fā)射截面和更低的非線性折射率系數(shù),在離線測試中顯示了更優(yōu)異的增益性能[18].

表1 N31 和N41 釹玻璃參數(shù)對比Table 1.Characteristics comparison of N31 and N41 Nd:glass.

綜上考慮,表2 列出了最終放大器釹玻璃的配置方案,助推放大器增益介質均采用新型 N41 釹玻璃,腔放大器沿用裝置原N31 釹玻璃.性能提升之前,助推和腔放都采用N31 釹玻璃,其中助推采用5 片N3130 型號釹玻璃,腔放采用8 片N3122型號釹玻璃;性能提升之后,助推采用5 片N4142型號釹玻璃,腔放沿用原助推更換下來的釹玻璃,并考慮從8 片增至9 片,即最終由4 片N3122 和5 片N3130 構成.

表2 主放大器改進前后助推放大器和腔放大器的釹玻璃構成Table 2.Configuration of Nd: glass in the main amplifier.

2.3 能源配置改進

為匹配主放大器釹玻璃配置提升后的能源儲能供給,增強了主放大器氙燈的放電回路配置.氙燈為釹玻璃增益介質提供泵浦光,其能源配置決定了釹玻璃泵浦光的功率.氙燈工作時爆炸系數(shù)不應超過0.3,因此以爆炸系數(shù)維持0.29 為前提增大泵浦儲能.每個放電回路4 燈串,將單回路的電容、電感、電壓配置從250 μF/75 μH/22 kV 改為350 μF/150 μH/23.5 kV;同時回路數(shù)從186 增至200;并為保證能源提升后的運行可靠性和安全性,將引燃管改為固體開關.這些措施使氙燈能源系統(tǒng)總儲能從14.5 MJ 提升到22.0 MJ.

按照擴容后的能源配置,不同釹玻璃材料所對應的放大器增益系數(shù)模擬預測值見表3.采用N4142 釹玻璃的助推放大器,小信號增益系數(shù)為5.24% cm;采用N3130 釹玻璃的腔放大器,小信號增益系數(shù)為4.90% cm;采用N3122 釹玻璃的腔放大器,小信號增益系數(shù)為4.70% cm;綜合下來改進后的主放大器釹玻璃的平均小信號增益系數(shù)為4.90% cm.

表3 改進后不同釹玻璃材料小信號增益系數(shù)模擬計算值Table 3.Calculation value of small gain coefficient of different Nd: glass after improvement.

3 輸出能力分析

依據(jù)上述預測結果,主放大系統(tǒng)性能提升后平均小信號增益系數(shù)將從4.15% cm 提升到4.94% cm.為了探究裝置潛在輸出性能,基于神光Ⅱ升級裝置的實際構型模擬了在裝置性能提升前后輸入輸出情況.

如圖2 所示,提升前受到主放大器儲能限制,當基頻輸出能量達到8 kJ 左右時主放大器進入增益飽和狀態(tài),要想進一步提升基頻輸出能量,需要大幅度提升輸入能量.另一方面,為了控制主放大系統(tǒng)注入反射鏡損傷風險,一般要求注入能量在5 J 以內.因此裝置最大基頻輸出能量在8 kJ 左右.增益提升后,主放大器增益飽和對應的基頻輸出能量達到12 kJ 以上,且所需注入能量處于注入反射鏡安全范圍內.只需1.26 J 注入能量就可實現(xiàn)10 kJ 的基頻輸出,可見增益能力的提升將顯著提高裝置的安全運行能力.

圖2 裝置增益性能提升前后裝置10 ns 方波對應的輸入輸出能力對比Fig.2.Comparison of input and output capability curve before and after the improvement for 10 ns pulse.

B積分表征激光在主放大鏈中的非線性相移.更小的B積分代表裝置更高的激光近場質量、聚焦焦斑質量和安全輸出能力.一般以累積B積分不超過3.5,級間B積分(ΔB)不超過1.8 作為高功率激光裝置輸出功率的重要約束條件之一.提升前后,在不同脈寬下(10 ns,5 ns),累積B積分隨著輸出能量的變化曲線如圖3 所示(為了方便對比,此處忽略了提升前主放大系統(tǒng)增益飽和及元件損傷風險導致的基頻最大輸出能量在8 kJ 左右的限制條件),輸出10 kJ/10 ns/1 ω對應的累積B積分從2.03 降為1.51;輸出10 kJ/5 ns/1 ω 對應的累積B積分從4.23 降為3.07;以累積B積分不超過3.5 為約束條件對應的5 ns 方波最大輸出能量從9.2 kJ 提升到10 kJ 以上.圖4顯示增益提升前后,輸出3 kJ/1 ns/1ω 的累積B積分從3.16 降為2.77,級間B積分從1.66 降為1.44,意味著該功率密度下激光近場質量會有一定提升.以級間B積分不超過1.8 為約束條件對應的1 ns 方波,最大輸出能量從3.2kJ提升到3.5kJ.

圖3 裝置增益性能提升前后5 ns 和10 ns 方波下的輸出能力與累積B 積分的關系對比Fig.3.Comparison of input and accumulated B integral curve under 5 ns and 10 ns pulse before and after the improvement.

圖4 裝置增益性能提升前后1 ns 方波下的輸出能力與累積B 積分及級間B 積分∑B 的關系對比Fig.4.Comparison of input and accumulated B integral curve under 1 ns flat pulse before and after the improvement.

綜上,改進后的裝置提升了主放大系統(tǒng)儲能,降低了增益飽和效應,從而降低了對注入能量的需求,緩解光學元件的損傷壓力.同時能流的改變也減輕主放大器段B積分的累積,從而提高了裝置的激光近場質量、聚焦焦斑質量和安全輸出能力上限.計算表明,升級裝置經過上述措施的改進后,依據(jù)儲能限制、損傷限制和B積分限制,不同脈寬下的安全邊界見表4,可見最大輸出能力將從8 kJ/10 ns 提升到12.5 kJ/10 ns.圖5 則給出了裝置實際運行輸出的底寬為3 ns 的典型斜角波案例.

表4 不同脈寬下的裝置基頻輸出能力評估Table 4.Estimation of output capability at different frequencies.

圖5 典型斜角波Fig.5.Typical oblique pulse.

4 增益性能測試和輸出能力驗證

4.1 小信號增益系數(shù)測試

為了量化改進前后對于增益能力的提升作用,選取升級第三路進行小信號增益系數(shù)測試.結果在表5 列出,改進之前3 發(fā)次的平均增益系數(shù)為4.15% cm,改進之后2 發(fā)次測試的平均增益系數(shù)為5.04% cm;小信號增益倍數(shù)從9100 提升到138000,超過了1 個數(shù)量級.改進后其他幾路的測試數(shù)據(jù)見表6,綜合裝置各路的平均小信號增益系數(shù)為4.94%,與理論計算值相符,平均小信號增益倍數(shù)為118000 倍.

表5 升級第三路片放增益提升前后的實測數(shù)據(jù)Table 5.Measurement value of output energy of SGII-UP Facility Beam 3 before and after improvement.

表6 升級其他光路片放改進后的實測數(shù)據(jù)Table 6.Output energy measurement value of other beams of SGII-UP Facility after improvement.

4.2 近場質量分析

在高功率密度的打靶實驗中,放大器增益能力的提升使得相同輸出能量下需要的注入能量更小,激光在傳輸放大過程中的B積分更小,即中高頻調制的非線性放大得到抑制,從而改善主激光的近場質量,增加了安全運行能力.大型高功率激光裝置的光束近場質量通常指強度分布的均勻性,常用評價指標有近場平頂區(qū)域通量對比度和調制度[19,20],分別定義如下:

其中C為近場對比度,Ii為區(qū)域內第i個像素對應的光強,N為像素總數(shù),Iavg為局部區(qū)域的平均光強,M為近場調制度,Imax為區(qū)域最大光強.

為驗證效果比較改進前后裝置在高平均功率密度運行條件下的激光近場質量,如圖6 所示,對應發(fā)次編號分別為20180123002 (平均能量2763 J/1 ns/1 ω 方波)和20201009003 (平均能量2910 J/1 ns/1 ω 方波).由圖6 可見,經過提升之后裝置各路激光輸出近場的對比度和調制度都有明顯下降,中高頻調制明顯降低,說明激光在傳輸放大過程中的B積分更小,也意味著裝置具有更高的安全運行能力.

圖6 改進前后高平均功率密度條件下的激光近場對比Fig.6.Comparison of the near-field with high average power density before and after improvement.

進一步對比第5,8 路兩發(fā)次輸出近場的功率密度分布,如圖7 所示.第5 路改進前后兩發(fā)次對應的平均功率密度分別為3.28 和3.18 GW/cm2,差別只有3%.圖7(a)與圖7(b)相比可以看出,改進后發(fā)次對應的直方圖包絡的后沿明顯變快,說明近場中高頻調制的能量占比更小,功率密度分布更向平均值集中.表7 表明,功率密度大于4 GW/cm2的像素點占比從18.5%降低到16.5%,功率密度大于5 GW/cm2的像素點占比從2.9%降低到0.8%,說明改進后激光近場的強調制點明顯減少.第8 路改進前后的兩個發(fā)次對應的平均功率密度分別為3.18 和3.81 GW/cm2,改進后發(fā)次對應的直方圖包絡同樣具有較快的后沿.如表7 所示,改進后發(fā)次功率密度大于4 GW/cm2的像素點占比為45%,這是由于該發(fā)次輸出能量更高,具有更高的平均功率密度導致.盡管如此,功率密度大于5 GW/cm2的像素點占比依然從16.2%降低到8.1%,更進一步說明了主放大器增益提升對激光近場質量的提升效果.

表7 激光近場高峰值功率密度像素點占比Table 7.Percentage of pixels for peak power density of the laser near-field.

圖7 改進前后高平均功率密度條件下的激光近場功率密度直方圖(a)第5 路,改進前,輸出能量2790 J/1 ns;(b)第5 路,改進后,輸出能量2700 J/1 ns;(c)第8 路,改進前,輸出能量2700 J/1 ns;(d)第8 路,改進后,輸出能量3238 J/1 nsFig.7.Histogram of the near-field with high average power density before and after improvement: (a) Beam 5,before improvement,with 2790 J/1 ns output;(b) Beam 5,after improvement,with 2700 J/1 ns output;(c) Beam 8,before improvement,with 2700 J/1 ns output;(d) Beam 8,after improvement,with 3238 J/1 ns output.

根據(jù)微擾理論,非線性相移導致的小尺寸調制增長的放大系數(shù)會隨著調制頻率的提高而增大,結合裝置空間濾波器的濾波作用,非線性作用引起的調制增長在激光近場上會集中在空間濾波器的濾波頻率附近.圖8 進一步比較了第5 路兩發(fā)次的近場功率譜密度的分布情況,可以看出改進前在對應頻率0.16 mm-1附近有較強的調制,這正是非線性相移與空間濾波共同作用的結果(升級裝置空間濾波器小孔對應的濾波范圍: ＞ 0.16 mm-1).改進后,該調制被明顯抑制,說明激光近場質量的提升正是由于放大器增益提升降低了B積分,從而抑制了小尺寸調制的非線性增長,而非其他原因.

圖8 改進前后第5 路近場質量分布之功率譜密度曲線Fig.8.Curve of power spectral density before and after improvement for Beam 5.

4.3 輸出能力

對于脈寬為5—10 ns 的脈沖而言,放大器增益能力的提升打破了其受到的釹玻璃儲能、增益飽和、注入反射鏡損傷等限制,從而提高了長脈沖波形下的輸出能力.從南北兩大束各選取一路進行了10 ns 方波脈沖的打靶能力驗證.選取的兩束激光主放輸出基頻能量分別為南路第3 路9385 J/10 ns 和北路第5 路10218 J/10 ns,激光近場分布均勻良好,無明顯中高頻調制.第3 路和第5 路分別實現(xiàn)了4580 J 和4200 J 的三倍頻到靶能量,從而驗證了裝置在10 ns 脈沖下三倍頻超過4 kJ 的打靶能力.選取第5 路進一步驗證基頻輸出能力,得到了12797 J/10 ns 方波基頻輸出.實驗中用大口徑卡計直接測量主放大輸出能量,激光不進入靶場以避免三倍頻元件損傷.對應的激光近場如圖9 所示,近場對比度為0.14,調制度為1.65,無明顯中高頻調制,證明裝置可實現(xiàn)12.5 kJ/10 ns以上方波基頻安全輸出,與理論預測結果相符.

圖9 基頻12797 J/10 ns 末級近場分布Fig.9.Distribution of near field of basic frequency under 12797 J/10 ns output.

5 結論

本次神光II 升級裝置在線性能提升論證了新型釹玻璃增益能力,主放增益性能的提升使裝置小信號增益系數(shù)從4.15% cm 增至4.94% cm,單路平均小信號增益倍數(shù)從9000 提升到118000,改變超過1 個數(shù)量級,大大降低了前級光路的輸出壓力和損傷概率,將基頻安全輸出能力線從8.0 kJ 提升到12.5 kJ.并在打靶過程中實現(xiàn)了高通量輸出下近場質量的改善,論證了裝置4 kJ/10 ns 三倍頻的打靶能力和12.5 kJ/10 ns 的基頻輸出能力,改進后的裝置為高能量密度物理提供了更多可能性.接下來將采取抑制大口徑光學元件刀口條紋、加強近場調控能力等措施進一步改善近場質量,支撐未來基頻分光實現(xiàn)8 路激光擴展為16 束激光,最終在不增大單束終端組件損傷壓力的前提下實現(xiàn)到靶總能量的大幅增大.