2010年4至5月,在神光Ⅱ裝置第九路及神光ⅡX射線激光靶室實施了升級裝置FOA首件驗證實驗,共打靶33發(fā)次,第九路系統(tǒng)輸出的基頻激光能量為1000J到4500J,激光脈沖寬度為3ns。對終端光學組件進行了色分離效果、穿孔效率、三倍頻轉(zhuǎn)換效率、BSG能量采樣元件破壞、氣溶膠成分成因及影響、靶場損耗和剩余光吸收等多項測試,獲得了若干有實用價值的較好結(jié)果。
終端光學組件 (Final Optics Assembly:FOA)是高功率激光最重要、最復(fù)雜的光學組件之一。該組件集真空密封、諧波轉(zhuǎn)換、諧波分離、激光聚焦、焦斑控制和激光參數(shù)采樣等功能于一體,包括了窗口玻璃、倍頻晶體、聚焦透鏡、楔形板、衍射光學元件和防濺射板等光學元件。它是激光驅(qū)動器工程中與各種因素牽連度最高、最復(fù)雜的單元器件之一,其工程設(shè)計實現(xiàn)難度很高。世界最先進、規(guī)模最大的激光裝置美國NIF工程花了7年左右時間才實現(xiàn)了FOA系統(tǒng)的基本定型。
神光Ⅱ升級裝置建成后,其每束激光運行輸出能量和能量密度應(yīng)為3000J/3ns/3ω0,激光在3ω0輸出位置~3J/cm2,為中等通量密度水平。圍繞工程目標,為保證在中等通量情況下安全、穩(wěn)定運行,神光升級工程FOA的設(shè)計需突破原有的設(shè)計思路。從2008年初開始,F(xiàn)OA項目組在神光Ⅱ裝置升級工程總體技術(shù)組的組織協(xié)調(diào)下聯(lián)合國內(nèi)科技攻關(guān)團隊,對FOA開展了第一階段的攻關(guān)工作。
攻關(guān)項目組針對雜散光的管理、FOA光學排布設(shè)計冗余度模擬計算、氣溶膠的管理控制與排除等工作難點,展開了深入細致的研究工作,制定了十余款安全措施以保證FOA安全工作。實驗過程中,F(xiàn)OA組件實現(xiàn)3J/cm2以上三倍頻激光輸出通量14發(fā),其中3ω激光輸出通量最高為3.6J/cm2,相應(yīng)三倍頻激光輸出轉(zhuǎn)換效率最高約為70%。更重要的是,攻關(guān)項目組從FOA攻關(guān)工作前期就意識到了FOA氣室中氣溶膠及其它有關(guān)的問題,并在本輪實驗中從多方面確證了FOA低壓氣室中在激光打靶瞬間產(chǎn)生了二十萬級顆粒度極為有害的氣溶膠環(huán)境,并且嚴重污染了FOA光學元件通光表面。實驗首次揭示了氣溶膠顆粒在FOA元件表面沉積所產(chǎn)生的破壞極可能是FOA元件首次遭到損傷的最重要原因。實驗中以3ω0/3ns、3.6J/cm2最高能通量密度0°入射的會聚光穿過27DL小孔(500μm小孔)的過孔率為97%,過孔能量為2300J,獲得了較為滿意的結(jié)果。項目組目前正在研究并采取更有力的措施,梳導(dǎo)和排除氣溶膠,從而在多層面意義上全面提升FOA光學元件的抗激光損傷能力。
實驗結(jié)果表明FOA光路全系統(tǒng)冗余度數(shù)值模擬設(shè)計,合理精密裝校,為強化FOA的高質(zhì)量傳輸功能和聚焦穿孔能力奠定了基礎(chǔ);FOA首件驗證的穿孔實驗還具有初步總體驗證的意義,將為升級裝置達標奠定前期實驗基礎(chǔ)。
通過本次實驗,項目組檢驗了第一階段的工作,同時積累了實驗數(shù)據(jù),對FOA的工作也有了新的更深層次的理解,將為即將開展的第二階段攻關(guān)工作提供有益的指導(dǎo)。
(神光裝置信息員陳冰瑤提供)