神光II升级激光装置基频输出能力提升*

谢静 王利 刘崇 张艳丽 刘强 汪涛 柴志豪 夏志强 杨琳 张攀政 朱宝强

(中国科学院上海光学精密机械研究所,高功率激光物理联合实验室,上海 201800)

1 引言

惯性约束核聚变对未来清洁能源发展具有重大意义,是各科技强国争相开展部署的战略制高点,研究的关键在于建立高能量高功率激光驱动器.目前美国NIF、法国LMJ、中国神光系列装置是国际上聚变级激光驱动器发展主力[1-3].近年来物理实验逐渐个性化、复杂化,不仅对装置控制精度和运行效率提出更高要求,更对装置的安全输出能力提出进一步挑战.

高功率激光装置安全运行能力主要受到基频输出能力、三倍频效率、光学元件损伤3 个方面的影响.在装置的激光放大链中,放大器的增益能力不仅直接影响基频的输出能力,更通过激光脉冲传输放大过程能流分布的变化影响激光的非线性相移,进而影响输出光束的近场质量和光学元件的损伤[4,5].根据其机理不同,光学元件损伤主要分为功率密度损伤和能量密度损伤,两者都直接受到近场质量的影响.激光束在光学介质中传输放大,总会产生与光强相关的非线性相移.由光学元件材料、加工缺陷、污染、损伤点等引起激光近场上的调制(包括相位型和振幅型)在非线性相移的作用下所产生的非线性放大或热像,是激光近场产生强区进而引起元件损伤的主要原因之一[6,7].因此,通过提升放大器小信号增益系数和增益倍数,在提升输出能量的同时降低非线性相移、进而提升近场质量降低元件损伤是提升装置输出能力的有效手段.

中国的神光II 升级装置于2015 年建成并投入运行,共8 束纳秒激光,单束基频最大输出能力为8 kJ/5 ns 方波,可支持三倍频到靶总能量24 kJ/3 ns 方波物理实验打靶[8,9].随着物理实验的开展,物理对装置不断提出更高的能量要求,尤其是新型激光聚变点火研究,提出了集高峰值功率、长脉宽、大能量、三角波形为一体的复杂打靶要求[10,11].近两年来,升级装置通过采用新型钕玻璃、增加钕玻璃数、提升氙灯储能配置等措施,实现主放大器系统小信号增益系数和总增益倍数分别从4.15% cm 和9000 倍向4.94% cm 和118000倍的大幅提升,进而在提升装置基频输出能力的同时,降低了激光近场的小尺寸调制,为装置实现更高打靶能量和高峰值功率下的安全运行奠定关键基础,推动中国高能密度物理前沿和激光聚变研究快速发展[12-14].

2 主放大器改进措施及其影响

2.1 放大增益理论分析

大型高功率激光装置超过90%的能量由主放大器系统提供.神光II 升级装置主放大系统采用2 程助推+4 程腔放的结构.如图1 所示,从预放大单元输出的激光束注入到传输空间滤波器中被反射至包含5 片钕玻璃的助推放大器进行第一次放大,在偏振片、大口径普克尔盒、腔镜和变形镜的协同作用下,4 次通过腔空间滤波器及包含8 片(现增至9 片)钕玻璃的腔放大器后,再次经过助推放大和传输空间滤波器,最终传输至靶场,即整个主放大过程包含2 次助推放大和4 次腔放大.

为方便计算脉冲激光在装置放大链中的能流分布,此处忽略激光近场的分布不均匀性,则脉冲激光的放大过程满足[15]:

其中A(z,t) 为激光脉冲时间包络,γ(z) 为激光介质非线性系数,g(t) 为放大器增益系数:

其中g0为小信号增益系数,Isat为饱和光强,Δn为上转换粒子数密度,与钕玻璃掺杂浓度n0、激发概率W和上能级寿命τ正相关,σ为受激发射截面.由此可见,采用具有更高掺杂浓度、更大发射截面和更长荧光寿命的钕玻璃增益介质,可有效提升放大器的增益能力.

激光与物质相互作用本质上是激光与介质极化电场之间的相互作用,强光影响下的自由电子的非谐振运动导致电偶极子的极化强度对于电场呈现出非线性,因而产生与光强相关的非线性相移.脉冲激光在主放大链中的非线性相移可用B积分来表征[16]:

其中k为入射激光的波矢量,n和n2分别为介质的线性和非线性折射率,I为入射激光光强,z为传输距离.此时考虑激光近场的调制变化,根据微扰理论,近场调制的强度变化表现出与B积分相关的非线性增长:

当近场调制增长到一定程度,微扰理论不再适用,此时调制在连续激光介质中的变化形式满足包含自聚焦项的傍轴传输方程自恰解,峰值光强为I0的高斯光束可表示为[17]

其中f(z) 函数表征自聚焦丝成像,zR表示光束的瑞利长度,ω0为束腰半径,当入射光强I0大于临界光强Ic时,在经历足够长的激光介质后将出现f(z)=0,此时入射高斯光束将塌陷至细丝光束,激光强度急剧上升至元件成丝破坏.由此可见,有效控制主放大链中激光脉冲的B积分,是控制激光近场质量避免近场调制引起元件成丝损伤的有效手段.

2.2 钕玻璃配置改进

通过增加钕玻璃数来增加增益长度是提高主放大器储能最直接的方案,在升级现有边界条件下,钕玻璃数可以从8 片增至9 片,但深度饱和条件下B积分也将随之剧增.为了降低B积分、提升装置运行安全性,一般要求采用非线性折射率小、增益系数大、长度短的工作物质.从表1 可以看出,与装置建成时主放大器采用的N31 型号磷酸盐钕玻璃相比,新型N41 钕玻璃具有更高的掺杂浓度、更大的受激发射截面和更低的非线性折射率系数,在离线测试中显示了更优异的增益性能[18].

表1 N31 和N41 钕玻璃参数对比Table 1.Characteristics comparison of N31 and N41 Nd:glass.

综上考虑,表2 列出了最终放大器钕玻璃的配置方案,助推放大器增益介质均采用新型 N41 钕玻璃,腔放大器沿用装置原N31 钕玻璃.性能提升之前,助推和腔放都采用N31 钕玻璃,其中助推采用5 片N3130 型号钕玻璃,腔放采用8 片N3122型号钕玻璃;性能提升之后,助推采用5 片N4142型号钕玻璃,腔放沿用原助推更换下来的钕玻璃,并考虑从8 片增至9 片,即最终由4 片N3122 和5 片N3130 构成.

表2 主放大器改进前后助推放大器和腔放大器的钕玻璃构成Table 2.Configuration of Nd: glass in the main amplifier.

2.3 能源配置改进

为匹配主放大器钕玻璃配置提升后的能源储能供给,增强了主放大器氙灯的放电回路配置.氙灯为钕玻璃增益介质提供泵浦光,其能源配置决定了钕玻璃泵浦光的功率.氙灯工作时爆炸系数不应超过0.3,因此以爆炸系数维持0.29 为前提增大泵浦储能.每个放电回路4 灯串,将单回路的电容、电感、电压配置从250 μF/75 μH/22 kV 改为350 μF/150 μH/23.5 kV;同时回路数从186 增至200;并为保证能源提升后的运行可靠性和安全性,将引燃管改为固体开关.这些措施使氙灯能源系统总储能从14.5 MJ 提升到22.0 MJ.

按照扩容后的能源配置,不同钕玻璃材料所对应的放大器增益系数模拟预测值见表3.采用N4142 钕玻璃的助推放大器,小信号增益系数为5.24% cm;采用N3130 钕玻璃的腔放大器,小信号增益系数为4.90% cm;采用N3122 钕玻璃的腔放大器,小信号增益系数为4.70% cm;综合下来改进后的主放大器钕玻璃的平均小信号增益系数为4.90% cm.

表3 改进后不同钕玻璃材料小信号增益系数模拟计算值Table 3.Calculation value of small gain coefficient of different Nd: glass after improvement.

3 输出能力分析

依据上述预测结果,主放大系统性能提升后平均小信号增益系数将从4.15% cm 提升到4.94% cm.为了探究装置潜在输出性能,基于神光Ⅱ升级装置的实际构型模拟了在装置性能提升前后输入输出情况.

如图2 所示,提升前受到主放大器储能限制,当基频输出能量达到8 kJ 左右时主放大器进入增益饱和状态,要想进一步提升基频输出能量,需要大幅度提升输入能量.另一方面,为了控制主放大系统注入反射镜损伤风险,一般要求注入能量在5 J 以内.因此装置最大基频输出能量在8 kJ 左右.增益提升后,主放大器增益饱和对应的基频输出能量达到12 kJ 以上,且所需注入能量处于注入反射镜安全范围内.只需1.26 J 注入能量就可实现10 kJ 的基频输出,可见增益能力的提升将显著提高装置的安全运行能力.

图2 装置增益性能提升前后装置10 ns 方波对应的输入输出能力对比Fig.2.Comparison of input and output capability curve before and after the improvement for 10 ns pulse.

B积分表征激光在主放大链中的非线性相移.更小的B积分代表装置更高的激光近场质量、聚焦焦斑质量和安全输出能力.一般以累积B积分不超过3.5,级间B积分(ΔB)不超过1.8 作为高功率激光装置输出功率的重要约束条件之一.提升前后,在不同脉宽下(10 ns,5 ns),累积B积分随着输出能量的变化曲线如图3 所示(为了方便对比,此处忽略了提升前主放大系统增益饱和及元件损伤风险导致的基频最大输出能量在8 kJ 左右的限制条件),输出10 kJ/10 ns/1 ω对应的累积B积分从2.03 降为1.51;输出10 kJ/5 ns/1 ω 对应的累积B积分从4.23 降为3.07;以累积B积分不超过3.5 为约束条件对应的5 ns 方波最大输出能量从9.2 kJ 提升到10 kJ 以上.图4显示增益提升前后,输出3 kJ/1 ns/1ω 的累积B积分从3.16 降为2.77,级间B积分从1.66 降为1.44,意味着该功率密度下激光近场质量会有一定提升.以级间B积分不超过1.8 为约束条件对应的1 ns 方波,最大输出能量从3.2kJ提升到3.5kJ.

图3 装置增益性能提升前后5 ns 和10 ns 方波下的输出能力与累积B 积分的关系对比Fig.3.Comparison of input and accumulated B integral curve under 5 ns and 10 ns pulse before and after the improvement.

图4 装置增益性能提升前后1 ns 方波下的输出能力与累积B 积分及级间B 积分∑B 的关系对比Fig.4.Comparison of input and accumulated B integral curve under 1 ns flat pulse before and after the improvement.

综上,改进后的装置提升了主放大系统储能,降低了增益饱和效应,从而降低了对注入能量的需求,缓解光学元件的损伤压力.同时能流的改变也减轻主放大器段B积分的累积,从而提高了装置的激光近场质量、聚焦焦斑质量和安全输出能力上限.计算表明,升级装置经过上述措施的改进后,依据储能限制、损伤限制和B积分限制,不同脉宽下的安全边界见表4,可见最大输出能力将从8 kJ/10 ns 提升到12.5 kJ/10 ns.图5 则给出了装置实际运行输出的底宽为3 ns 的典型斜角波案例.

表4 不同脉宽下的装置基频输出能力评估Table 4.Estimation of output capability at different frequencies.

图5 典型斜角波Fig.5.Typical oblique pulse.

4 增益性能测试和输出能力验证

4.1 小信号增益系数测试

为了量化改进前后对于增益能力的提升作用,选取升级第三路进行小信号增益系数测试.结果在表5 列出,改进之前3 发次的平均增益系数为4.15% cm,改进之后2 发次测试的平均增益系数为5.04% cm;小信号增益倍数从9100 提升到138000,超过了1 个数量级.改进后其他几路的测试数据见表6,综合装置各路的平均小信号增益系数为4.94%,与理论计算值相符,平均小信号增益倍数为118000 倍.

表5 升级第三路片放增益提升前后的实测数据Table 5.Measurement value of output energy of SGII-UP Facility Beam 3 before and after improvement.

表6 升级其他光路片放改进后的实测数据Table 6.Output energy measurement value of other beams of SGII-UP Facility after improvement.

4.2 近场质量分析

在高功率密度的打靶实验中,放大器增益能力的提升使得相同输出能量下需要的注入能量更小,激光在传输放大过程中的B积分更小,即中高频调制的非线性放大得到抑制,从而改善主激光的近场质量,增加了安全运行能力.大型高功率激光装置的光束近场质量通常指强度分布的均匀性,常用评价指标有近场平顶区域通量对比度和调制度[19,20],分别定义如下:

其中C为近场对比度,Ii为区域内第i个像素对应的光强,N为像素总数,Iavg为局部区域的平均光强,M为近场调制度,Imax为区域最大光强.

为验证效果比较改进前后装置在高平均功率密度运行条件下的激光近场质量,如图6 所示,对应发次编号分别为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).由图6 可见,经过提升之后装置各路激光输出近场的对比度和调制度都有明显下降,中高频调制明显降低,说明激光在传输放大过程中的B积分更小,也意味着装置具有更高的安全运行能力.

图6 改进前后高平均功率密度条件下的激光近场对比Fig.6.Comparison of the near-field with high average power density before and after improvement.

进一步对比第5,8 路两发次输出近场的功率密度分布,如图7 所示.第5 路改进前后两发次对应的平均功率密度分别为3.28 和3.18 GW/cm2,差别只有3%.图7(a)与图7(b)相比可以看出,改进后发次对应的直方图包络的后沿明显变快,说明近场中高频调制的能量占比更小,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的像素点占比从18.5%降低到16.5%,功率密度大于5 GW/cm2的像素点占比从2.9%降低到0.8%,说明改进后激光近场的强调制点明显减少.第8 路改进前后的两个发次对应的平均功率密度分别为3.18 和3.81 GW/cm2,改进后发次对应的直方图包络同样具有较快的后沿.如表7 所示,改进后发次功率密度大于4 GW/cm2的像素点占比为45%,这是由于该发次输出能量更高,具有更高的平均功率密度导致.尽管如此,功率密度大于5 GW/cm2的像素点占比依然从16.2%降低到8.1%,更进一步说明了主放大器增益提升对激光近场质量的提升效果.

表7 激光近场高峰值功率密度像素点占比Table 7.Percentage of pixels for peak power density of the laser near-field.

图7 改进前后高平均功率密度条件下的激光近场功率密度直方图(a)第5 路,改进前,输出能量2790 J/1 ns;(b)第5 路,改进后,输出能量2700 J/1 ns;(c)第8 路,改进前,输出能量2700 J/1 ns;(d)第8 路,改进后,输出能量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.

根据微扰理论,非线性相移导致的小尺寸调制增长的放大系数会随着调制频率的提高而增大,结合装置空间滤波器的滤波作用,非线性作用引起的调制增长在激光近场上会集中在空间滤波器的滤波频率附近.图8 进一步比较了第5 路两发次的近场功率谱密度的分布情况,可以看出改进前在对应频率0.16 mm-1附近有较强的调制,这正是非线性相移与空间滤波共同作用的结果(升级装置空间滤波器小孔对应的滤波范围: ＞ 0.16 mm-1).改进后,该调制被明显抑制,说明激光近场质量的提升正是由于放大器增益提升降低了B积分,从而抑制了小尺寸调制的非线性增长,而非其他原因.

图8 改进前后第5 路近场质量分布之功率谱密度曲线Fig.8.Curve of power spectral density before and after improvement for Beam 5.

4.3 输出能力

对于脉宽为5—10 ns 的脉冲而言,放大器增益能力的提升打破了其受到的钕玻璃储能、增益饱和、注入反射镜损伤等限制,从而提高了长脉冲波形下的输出能力.从南北两大束各选取一路进行了10 ns 方波脉冲的打靶能力验证.选取的两束激光主放输出基频能量分别为南路第3 路9385 J/10 ns 和北路第5 路10218 J/10 ns,激光近场分布均匀良好,无明显中高频调制.第3 路和第5 路分别实现了4580 J 和4200 J 的三倍频到靶能量,从而验证了装置在10 ns 脉冲下三倍频超过4 kJ 的打靶能力.选取第5 路进一步验证基频输出能力,得到了12797 J/10 ns 方波基频输出.实验中用大口径卡计直接测量主放大输出能量,激光不进入靶场以避免三倍频元件损伤.对应的激光近场如图9 所示,近场对比度为0.14,调制度为1.65,无明显中高频调制,证明装置可实现12.5 kJ/10 ns以上方波基频安全输出,与理论预测结果相符.

图9 基频12797 J/10 ns 末级近场分布Fig.9.Distribution of near field of basic frequency under 12797 J/10 ns output.

5 结论

本次神光II 升级装置在线性能提升论证了新型钕玻璃增益能力,主放增益性能的提升使装置小信号增益系数从4.15% cm 增至4.94% cm,单路平均小信号增益倍数从9000 提升到118000,改变超过1 个数量级,大大降低了前级光路的输出压力和损伤概率,将基频安全输出能力线从8.0 kJ 提升到12.5 kJ.并在打靶过程中实现了高通量输出下近场质量的改善,论证了装置4 kJ/10 ns 三倍频的打靶能力和12.5 kJ/10 ns 的基频输出能力,改进后的装置为高能量密度物理提供了更多可能性.接下来将采取抑制大口径光学元件刀口条纹、加强近场调控能力等措施进一步改善近场质量,支撑未来基频分光实现8 路激光扩展为16 束激光,最终在不增大单束终端组件损伤压力的前提下实现到靶总能量的大幅增大.