高功率固体激光装置的优化设计及综合评估方法研究

论文题目: 高功率固体激光装置的优化设计及综合评估方法研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 光学工程

作者: 杨菁

导师: 张小民

关键词: 惯性约束聚变,高功率固体激光装置,优化设计,综合评估,数值模拟

文献来源: 山东大学

发表年度: 2005

论文摘要: 惯性约束聚变(ICF)研究是当今科学技术研究的一项重要领域,对于新型能源的开发具有深远的科学意义和重要的应用价值。 用于惯性约束聚变研究的新一代高功率激光驱动器是运行在高功率、高负载条件下的大型复杂激光装置,其结构复杂、规模庞大、建造费用高昂,且建造过程涉及一系列多学科物理、技术和工程问题。在高功率激光驱动器的建造过程中进行系统优化设计,对于提高装置总体性能价格比,平衡工程难度,降低工程建造风险具有重要的意义。 在此研究背景下,本论文系统研究了高功率激光装置的优化设计方法,重点讨论了激光放大系统的构型设计优化,并在优化设计需求牵引下,建立了我国第一套高功率激光装置综合评估体系,从理论上科学、合理地比较了各设计方案的特点,为最终总体技术方案的确立提供了必需的评判标准和依据。本论文工作是高功率固体激光装置总体技术研究的重要组成部分,以我国在建的神光Ⅲ激光装置设计建造为依托,开展了一系列的研究工作,主要研究内容及成果包括以下部分: 1.详细讨论了高功率固体激光装置优化设计过程中的基本科学理论及技术问题。重点分析了钕玻璃固体激光放大器的工作原理及放大理论。本着优化设计、提高系统性能价格比的总体目标,讨论了影响系统能量转换效率的三个主要环节,即激光放大器的储能效率、激光放大器储能的提取效率及三倍频能量转换效率等,并分析了各环节的影响因素。分析了优化设计所要考虑的边界条件:一是装置在短脉冲(≤1ns)运行条件的B积分限制,即装置的功率受限条件;二是装置在长脉冲(>3ns)运行条件下的光学元件的损伤阈值,即装置的能量受限条件。研究了影响系统输出能力的激光材料增益饱和特性。以上各项研究内容为下一步的优化设计提供了理论基础。 2.由于高功率激光装置主放大级的总体技术方案基本决定了整个激光装置设计优化的总体技术方案,因此本文将主放大级的设计优化研究作为讨论重点。在主放大级的设计构型中,多程放大构型是提高系统效率、降低装置成本的最为有效的一种方案,目前已被广泛地应用于大型高功率激光装置的主放大级构

论文目录:

目录

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英文摘要

第一章 绪论

1.1 惯性约束聚变研究概述

1.2 ICF高功率固体激光驱动器研究与发展概述

1.2.1 ICF固体激光驱动器的基本组成与构型

1.2.2 国外ICF激光驱动器的研究进展

1.2.3 我国ICF激光驱动器的研究进展

1.2.4 大型ICF激光驱动器的发展趋势及特点

1.3 高功率固体激光驱动器优化设计

1.3.1 优化设计的含义、目标、内容、特点

1.3.2 系统优化设计的模拟计算工具

1.3.3 优化设计的研究进展

1.4 高功率固体激光驱动器系统综合评估

1.4.1 系统综合评估的研究目的和意义

1.4.2 系统综合评估的主要内容及研究方法

1.5 本论文的主要工作

1.6 本论文的章节安排

第二章 高功率激光装置优化设计中基本理论与技术问题

2.1 基本放大理论

2.1.1 光放大的基本原理

2.1.2 钕离子的光谱特性和能级结构

2.1.3 放大器中光脉冲放大动力学理论

2.2 系统能量转换效率

2.2.1 主放大级储能效率

2.2.2 主放大级储能的提取效率

2.2.3 三倍频转换效率

2.3 高功率激光装置总体设计的受限条件

2.3.1 B积分

2.3.2 高通量下的光学元件损伤阈值

2.4 增益饱和问题

2.5 本章小结

第三章 多程放大系统基本物理问题与设计优化

3.1 多程放大理论

3.1.1 多程放大中粒子的能级跃迁规律

3.1.2 基于F-N方程的多程放大计算模型

3.1.3 考虑弛豫效应的多程光脉冲放大模型

3.2 多程放大构型特点

3.3 多程放大系统的部分关键技术

3.3.1 激光脉冲注入与输出技术

3.3.2 系统级间隔离技术

3.3.3 波前控制技术

3.4 多程放大系统的构型设计与优化

3.4.1 模拟计算采用的典型多程放大构型

3.4.2 模拟计算的物理参数及受限条件

3.4.3 各种构型间能流分布特性的计算与比较

3.4.3.1 优化设计点的能流特性比较

3.4.3.2 最大输出能力的比较

3.4.3.3 外推能力的比较

3.4.4 不同设计参数对系统能流特性的影响

3.5 本章小结

第四章 主放大级激光材料的优化配置研究

4.1 用于ICF研究的光学材料的种类及其发展

4.2 高功率激光装置对激光玻璃性能的要求

4.2.1 非线性折射率n_2

4.2.2 受激发射截面σ

4.3 高功率激光装置主放大级激光玻璃的参数配置优化

4.3.1 光学材料的品质因子—FOM

4.3.2 主放大级激光玻璃的配置优化

4.3.2.1 主放大级增益特性

4.3.2.2 主放大级△B分布特性

4.3.2.3 主放大级采用混合玻璃配置的优化思路

4.4 主放大级激光玻璃混合配置对系统能流分布的影响

4.4.1 模拟计算一——不同混合片数配置对系统能流的影响

4.4.2 模拟计算二——不同激光玻璃参数对系统能流的影响

4.5 本章小结

第五章 高功率固体激光装置的系统综合评估方法研究

5.1 综合评估的概念及研究内容

5.2 系统综合评估指标体系的建立

5.2.1 高功率激光装置的评价标准

5.2.2 评估指标的确立原则及确立方法

5.2.3 评估指标体系的层次结构模型

5.2.4 高功率固体激光装置综合评估指标体系

5.2.4.1 “精密装置”评估指标

5.2.4.2 “用户装置”评估指标

5.2.4.3 “经济装置”评估指标

5.3 综合评估数学模型的建立

5.3.1 评估指标的量化方法

5.3.1.1 定量单指标的量化

5.3.1.2 定性单指标的量化

5.3.2 确定评估指标的权重

5.3.3 评估方法的确定

5.4 系统综合评估的步骤

5.5 系统综合评估的程序实现

5.6 应用实例——ICF高功率激光驱动器系统设计综合评估

5.6.1 单项指标评估

5.6.2 分类指标评估

5.6.3 系统综合指标评估

5.7 本章小结

第六章 总结

附录A

附录B

附录C

参考文献

致谢

作者简历及攻读博士学位期间发表的论文

发布时间: 2006-05-30

参考文献

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• [2].高功率激光装置靶面光强分布精密控制技术研究[D]. 张锐.中国科学技术大学2013
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