КАНАЛ МОЩНОЙ УСТАНОВКИ "ЛУЧ" ДЛЯ ЛТС С ЭНЕРГИЕЙ

КАНАЛ МОЩНОЙ УСТАНОВКИ "ЛУЧ" ДЛЯ ЛТС С ЭНЕРГИЕЙ ИМПУЛЬСА 3,3 КДЖ
С.Г. ГАРАНИН, И.Н. ВОРОНИЧ, А.И. ЗАРЕЦКИЙ, В.А. ЕРОШЕНКО, Л.В. ЛЬВОВ, А.В. СЕНИК,
С.А. СУХАРЕВ, О.А. ШАРОВ
Российский федеральный ядерный центр ⎯ Всероссийский НИИ экспериментальной физики,
Саров, Россия
Проведены исследования по усилению лазерного импульса в канале четырехпроходной неодимовой установки на дисковых элементах из фосфатного стекла. Получена энергия импульса 3,3 кДж при длительности
импульса излучения ⎯ 4 нс, и расходимости θ0,8 E = 2 ⋅10−4 .
Ключевые слова: лазер на неодимовом фосфатном стекле, дисковый элемент, линейный коэффициент
усиления, энергия излучения.
Основным элементом мощных лазерных установок NIF [1], LMJ [2], "Искра–6" [3], создаваемых для исследований физики работы лазерных термоядерных мишеней, являются многопроходные силовые усилители
на дисковых элементах из неодимового фосфатного стекла.
Предельная выходная лазерная энергия в этих установках определяется выбором оптимальных параметров всех систем усилительного тракта, включая лучевую прочность выбранных оптических элементов, значением B–интеграла, коэффициентом усиления слабого сигнала g0 и др. При этом достигнутый уровень плотности выходной энергии eout оптимизированных лазерных каналов составляет ∼ 10 Дж /см 2 при длительности
импульса ~ 3⎯5 нс (см., например, [4]).
Для оптимизации лазерных систем многоканальных установок [1⎯3] в лазерных центрах создаются макеты усилительных модулей [5⎯7]. В России во Всероссийском научно–исследовательском институте экспериментальной физики создана четырехканальная установка "Луч" [7], исследование на которой направлены
на проверку и отработку научно–технических решений, ключевых для создаваемой установки "Искра–6"
со следующими параметрами: суммарная энергия 300 кДж на длине волны 0,351 мкм при длительности
импульса 3⎯5 нс.
В настоящей работе приведены результаты исследований, направленных на оптимизацию всех систем лазерного канала установки "Луч" с целью получения предельной лазерной энергии.
Четырехпроходный усилительный тракт установки "Луч" (рис. 1) включает в себя два силовых усилителя
У1 и У2, разделенных кюветным пространственным фильтром. Ввод излучения в усилительный тракт, возврат
излучения для третьего прохода и вывод его после четвертого прохода осуществляются через транспортный
пространственный фильтр.
В фокальной плоскости линз обоих пространственных фильтров расположены диафрагмы с четырьмя отверстиями. Лазерный пучок проходит через "свое" отверстие на каждом из четырех проходов.
Каждый из силовых усилителей У1 и У2 состоит из 9–ти унифицированных модулей, изображенных на
рис. 2, с единой для 4–х каналов системой ламповой накачки. Прямоугольные дисковые элементы изготовлены
из неодимового фосфатного стекла КГСС 0180 [8].
Расчетные исследования показывают [3], что для получения средней плотности выходной энергии
eout ∼ 10 Дж/см 2 в данной схеме усиления требуется обеспечить величину g0 ≈ 0, 04 ⎯ 0, 05 см −1 . В [9, 10]
приведены экспериментальная методика и результаты измерений коэффициента усиления на установке «Луч».
Эти исследования показали, что конструкция силовых усилителей позволяет получать в штатном режиме ве-
личину g0 ≈ 0, 05 см −1 . Другим условием по получению предельной выходной лазерной энергии является выбор пассивных и активных оптических элементов усилительного тракта с требуемой лучевой прочностью.
Специальные экспериментальные исследования, проведенные на стендах РФЯЦ ⎯ ВНИИЭФ и НИИКИ ОЭП
(г. Сосновый Бор) [11] показали (см. табл. 1), что лучевая прочность практически всех элементов позволяет
проводить исследования усиления лазерного импульса без разрушений в номинальном режиме. Исключение
составляют входная и выходная линзы транспортного фильтра, у которых порог разрушения просветляющих
покрытий близок к рабочей нагрузке ∼ 10 Дж/см 2 .
В разрабатываемых крупномасштабных лазерных установках на неодимовом стекле принципиальное значение имеет минимизация статических и термоиндуцированных аберраций волнового фонта, которая, с одной
2
Снежинск, 5⎯9 сентября 2005 г.
стороны, обуславливает получение высоких плотностей интенсивности лазерного излучения на мишени.
С другой, снижение расходимости ЛИ позволяет оптимизировать диаметры диафрагм пространственных
фильтров с целью снижения порога развития самофокусировки. В [12] представлены результаты исследований,
направленные на уменьшение аберраций волнового фронта и расходимости лазерного излучения на установке
"Луч". Эти эксперименты позволили снизить расходимость излучения в 2 раза ( θ0,8 E = 2 ⋅10−4 рад), что, в свою
очередь, позволило уменьшить диаметр диафрагмы с ∅ = 2,5 мм до ∅ = 1,5 мм при фокусном расстоянии линз
пространственного фильтра 7 м.
На рис. 3 приведено пространственное распределение интенсивности ЛИ до оптимизации, а на рис. 4 после
оптимизации, которое иллюстрирует снижение мелкомасштабной модуляции интенсивности более чем в 2 раза.
На рис. 5 представлены результаты расчетов по усилению импульса в канале установки. В расчетах учитывались пассивные потери в слэбах, окнах усилителей и линзах пространственных фильтров, коэффициенты отражения зеркал, коэффициент пропускания тракта реверсора. В соответствии с результатами экспериментальных
измерений пропускание тракта усилителя на 4–х проходах в отсутствие накачки и пустом реверсере составляло 10 %. Нелинейный показатель преломления, который используется при расчете В–интегралов, был взят равным n2 = 1, 05 ⋅10−13 esu. Эффективная площадь апертуры пучка составляла 320 см 2 (80 % от 20 × 20 = 400 см 2 ).
Расчет основывается на балансном приближении, в котором используется эффективная величина энергии насыщения. Ее значение было взято равным Esat = 4, 7 Дж/см 2 в соответствии с экспериментальными измерениями
этой величины для американского стекла LG–750, аналогичного по составу стеклу КГСС–180/35 [4].
Для регистрации энергии излучения на выходе канала использовались пирокалориметры Molectron J25,
Gentec ED–200. Вывод информации осуществлялся на измерители энергии и мощности Molectron EPM 1000 и
Gentec DUO соответственно. Для регистрации излучения в дальней и ближней зоне использовали 12 битные
ССD–камеры СИР–05–М фирмы "Электрон–М" с размером матрицы 18,56×16,64 мм (размер пикселя
16×16 мкм) и COHU 4810 с размером матрицы 8,8×6,6 мм, с динамическим диапазоном 500.
На графике (рис. 5) приведены экспериментальные результаты по усилению импульса (τ=4 нс) для низких
значений линейного коэффициента усиления g0=3,5⋅10–2 см–1 и g0=4,0⋅10–2 см–1 при входном сигнале (80 –
200) мДж. Как видно из представленных результатов экспериментальные данные согласуются с расчетной зависимостью и в исследуемом диапазоне входной энергии величина выходной энергии не превышала ~2,3 кДж.
Для получения проектных значений энергии в канале ~ (3–4) кДж проведены усилительные эксперименты
со значением линейного коэффициента усиления g0=4,5⋅10–2 см–1. В этом случае для повышения эффективности накачки дисковых элементов усилительных модулей У1 и У2 использовались отражатели из фольги MIRO
[10]. При значении входного сигнала 20 мДж и 50 мДж получена выходная энергия канала 2,1 кДж и 3,3 кДж
(соответственно), при этом экспериментальные результаты удовлетворительно согласуются с расчетной зависимостью (см. рис. 5). Длительность импульса излучения на выходе установки составила τ0,5≈4 нс. Распределение плотности излучения по сечению пучка (рис.6) имеет "спекловую" структуру, характерную для мощных
неодимовых установок на пороге самофокусировки [4, 13] и обусловлено нелинейным ростом мелкомасштабных возмущений, в процессе усиления из–за нелинейности показателя преломления, углов пространственной
фильтрации и рассеяния на оптических элементах в усилительном канале.
Таким образом на установке "Луч", в результате исследований по угловой селекции излучения, введения
адаптивной системы и повышении эффективности накачки дисковых элементов получена энергия в усилительном канале – 3,3 кДж (при коэффициенте усиления g0=4,5⋅10–2 см–1 и входной энергии 50 мДж), при длительности импульса излучения τ0,5≈4 нс и расходимости θ0.8E=2⋅10–4 рад. (см. рис. 7).
Табл.1. Результаты испытаний на лучевую прочность оптических элементов, разработанных для установки "Луч" (длительность лазерного импульса τ0,5=3 нс)
Рабочая
Порог
Объект испытаний
нагрузка,
разрушения, Дж/см2
Дж/см2
Стекло К8
Выходная поверхность
29,0–32,0
10
Объем
26,0
10
Кристалл KDP
Выходная поверхность
27,0
10
Диэлектрические
Зеркала *)
8–10
1–4
покрытия
Просветление*)
6–8
1–4
Стекло КГСС – 0180
Выходная поверхность
До 10
26,0 ± 5
(слэб)
VIII Забабахинские научные чтения
3
Адаптивное зеркало
Рабочая поверхность
5–8
0,1
*)
Проведенные в настоящее время испытания диэлектрических зеркал и диэлектрических покрытий производства НИИ НПО «ЛУЧ» показали, что их лучевая прочность
(27–30) Дж/см2 и (15–20) Дж/см2 соответственно.
4
Снежинск, 5⎯9 сентября 2005 г.
Л4 (f=11 м)
Л8 (f=11 м)
Евых
Л7
Л2
Л1
Дисковый
усилитель 1
Л3
Адаптивное
зеркало
Реверсер
Система
формирования
опорного излучения
Дисковый
усилитель 2
Л5 (f=7 м)
Л6 (f=7 м)
Рис.1. Схема установки "Луч"
ми
Рис.2. Фотография общего вида унифицированного четырехканального усилительного модуля с дисковыэлементами,
лампами
накачки,
отражателями
и
защитными
стеклами
VIII Забабахинские научные чтения
5
ε , о тн . е д .
1
0 ,8
0 ,6
а)
0 ,4
0 ,2
Рис.3. Ближняя зона (а) и распределениеб)плотности энергии лазерного излучения по горизонтальному сечению пучка (в) до оптимизации
Х , мм
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
ε , о тн. е д.
1
0 ,8
0 ,6
а)
0 ,4
0 ,2 Рис.4. Ближняя зона (а) и распределение плотности энергии лазерного излучения по горизонтальному сечению
пучка
(в)
после
оптимизации
б)
Х, м м
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
6
Снежинск, 5⎯9 сентября 2005 г.
Евых, кДж
5
g0=0,045см
-1
4
g0=0,040см-1
3
2
g0=0,035см-
1
0
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
Евх, Дж
Рис.5. Зависимость энергии излучения на выходе канала установки "Луч" от энергии на входе при различных значениях линейного коэффициента усиления g0
(линии – расчет, точки – эксперимент)
Рис. 6. Ближняя зона излучения на выходе канала установки "Луч"
(Евых=3,3 кДж, средняя интенсивность <I>=2,5 ГВт/см2)
VIII Забабахинские научные чтения
7
Отсканировать рисунок 7
Литература
LLNL. ICF Quarterly Report. Special Issue: National Ignition Facility April–June 1997, (Virginia: Springfield,
1997, v.7, No.3)
Andre M.L. Proc. SPIE Int. Soc. Eng., 3047, 38 (1997).
Galakhov I.V., Garanin S.G., Eroshenko V.A. et al. Fusion Engineering and Design, 44, 51 (1999).
D.M.Pennington, D.Milam and D.Eimerl "Gain Saturation Studies in LG–750 and LG–770 Amplifier Glass", Report p17 at the 2nd Annual International Conference" Solid–State Lasers for Application to Inertial Confinement Fusion (ICF)", Paris, October 22–25, 1996.
A.C.Erlandson, C.Marshall, M.Rotter et al. ICF Quarterly Report–1, pp.99–104, UCRL–LR 105821–99–1,
LLNL, Livermore, Calif., USA, (1999)
Michel L.Andre, “Status of the LMJ Project”, in Second Annual International Conference on Solid State Laser for
Applications to Inertial Confinement Fusion, Michel L.Andre, Editor, Proceedings of SPIE Vol.3047, pp.38–42 (1997)
Безнасюк Н.Н., Галахов И.В., Гаранин С.Г. и др. В сб. IV Харитоновские тематические научные чтения,
(РФЯЦ–ВНИИЭФ, 2002, с. 82).
Арбузов В.И., Вахмянин К.П., Волынкин В.М. и др. Оптический журнал, 69, №1, с.16 (2001).
И.Н.Воронич, И.В.Галахов, С.Г.Гаранин и др. Квантовая электроника, 33, №5, с.485 (2003).
И.Н.Воронич, С.Г.Гаранин, А.И.Зарецкий и др. Квантовая электроника, 34, №6, с.509 (2004).
В.И.Арбузов, В.М.Волынкин, С.Г.Лунтер и др. Оптический журнал, 70, №5, с.68 (2003)
И.Н.Воронич, С.Г.Гаранин, А.И.Зарецкий и др. Квантовая электроника, 35, (2005), (в редакции).
B.M.Van Wonterghrem, J.R.Murray, J.H.Campbell, et al. ”System Description and Initial Performance Results
for Beamlet”, ICF Quarterly Report, October–December 1994, v.5, No.1, pp.1–17, UCRL–LR 105821–95–1, (1995),
LLNL, Livermore, Calif., USA