高功率激光泵浦光源研究新进展星空.体育

　　高功率激光泵浦光源研究新进展 刘建军 蒋宝财李海兵 （中科院上海光学精密机械研究所，邮编：２０１８００） 摘要 高功率脉冲氤灯是高功率激光装置放大系统中的核心部件，其技术指标和使用可靠性将直接 关系到高功率激光装置的工程设计、实施和可靠运行。近年来，我们围绕高功率脉冲氙灯的材料结构和制 备Ｔ艺开展了大量研发工作，陆续解决了灯头耐压、封接工艺等重大技术难题：在脉冲氤灯整体优化设计 和复合功能石英管材料的研制等方面进行了大量研究，并取得了突破性的进展。 关键词 脉冲氤灯、复合功能石英玻璃管、潜藏式封接、加速寿命试验 激光惯性约束核聚变（Ｉｎｅｒｔｉａｌ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｆｕｓｉｏｎ，ＩＣＦ）是当今国际上的重大基础科 研课题，也是国内外研究的前沿和熟点领域；世界主要工业国家都非常重视，并投入了大 量人力和物力。激光惯性约束核聚变研究使可控核聚变难题的解决成为可能，它为人类摆 脱能源危机、开发利用洁净、无污染且取之不尽的新能源——核能，展现了美好的前景星空.体育。 高功率脉冲氙灯是国家８６３计划中激光惯性约束核聚变研究光泵驱动器即大型高功率 同体激光器重要的项目之一，它是高功率激光装置放大系统中的核心部件，也是我国神光 装置最重要的关键支撑单元技术之一，因此对脉冲氙灯作为高功率激光泵浦光源的研究具 有重要的技术价值、经济意义和国际影响。 国内过去使用的高功率脉冲氙灯质量不稳定，存在材料结构上和封接技术上的严重缺 陷。在使用过程中常出现灯头击穿、炸灯、光效下降等问题，不能满足高功率激光装置的 使用要求。 近年来，我们为改善高功率脉冲氙灯在大型激光器中的工作性能，围绕制灯材料和制 备．Ｉ：艺开展了大量研发工作，从而使我国的高功率脉冲氙灯在应用于高功率激光泵浦光源 方面取得了突破性的进展；拥有自主知识产权的高功率脉冲氙灯在灯头耐压、光效和极限 负载能量等主要特性指标上已达到国外同类产品的技术性能水平。 １．新材料的研制 高功率激光器在运行过程中，灯管内通过的强电流所产生的巨大的磁场、等离子体冲 击波和热冲击会对脉冲氙灯的石英玻璃管壁造成破坏：同时，灯内的氙等离子体产生的 ３００ｎｍ附近紫外辐射会使工作物质——钕玻璃产生严重的内部缺陷，从而破坏激光器的工 作稳定性和安全性。 以往的高功率脉冲氙灯用的管材主要有两种：纯石英玻璃管和掺铈石英玻璃管。前者 具有较强的抗冲击波、耐热冲击性能和负载能量大等优点，但由于高纯石英玻璃管自身的 性质，因而所制备的脉冲氙灯不能截除对激光工作物质有破坏作用的３００ｈｍ附近的近紫外 辐射。掺铈石英玻璃管中掺有微量氧化铈、氧化铝和氧化钛等组分，它能够有效地截止 ３４０ｎｍ以下的近紫外辐射，但氧化铈等杂质的加入在一定程度上影响了石英玻璃较完整的 网络结构，降低了玻璃管的机械强度，从而出现频繁炸灯现象。 ．．２７６．． 为了解决灯管强度缺陷对脉冲氙灯造成的影响，我们研制出了一种复合功能石英玻璃 管作为脉冲氙灯的管壁材料，它由纯石英玻璃层和掺铈石英玻璃层交叉排列钳套组成。这 种复合功能石英玻璃管不仅具有高纯石英玻璃的机械强度，同时又具有掺铈石英玻璃截除 近紫外辐射的功能。据试验测定，复合功能石英管脉冲氙灯的负载强度约比普通掺铈石英 管脉冲氙灯高１２～１４％。用该复合管制备的高功率脉冲氙灯具有优良的抗冲击性能，减少 了近紫外辐射对钕玻璃的破坏，从而提高了激光光泵驱动器运行的安全性。 ２．新技术的采用 ２．１潜藏式封接法 用于高功率固体激光系统的脉冲氙灯一直以来都是采用的过渡玻璃封接法。传统上的 过渡玻璃封接法所制作的脉冲氙灯是一种直表式的外封接结构，见图１，直表式封接结构 在密封性和承受电流密度方面性能较好，但存在一个致命的缺点，就是灯的抗张强度差， 用在高功率激光器中的氙灯损坏、漏气现象频繁，严重影响了激光装置整体的可靠性和稳 定性。 为了克服传统封接方式的缺陷，我们研发出了一种潜藏式的封接方法（见图２）。所制 的脉冲氙灯使放电过程作用在管壁上的张力转化为压力（石英玻璃的抗压强度是 ６５００Ｋｇ／ｃｍ２，而抗张强度仅为６００Ｋｇ／ｃｍ２），从而使灯的强度提高一个量级，同时又能承受 较人的电流密度；用潜藏式封接方法制备的脉冲氙灯无充排气口，不但保证了很好的密封 性能，而且避免了由于排气口部位应力作用造成的灯管损坏。因而采用潜藏式封接结构能 人人提高脉冲氙灯的使用寿命，可以很好地满足高功率固体激光系统泵浦源的要求。 过渡玻璃 图１直表式封接结构示意图 ２．２新型灯头结构 图２潜藏式封接结构 高功率脉冲氙灯的灯头在使用过程中要承受很高的电流和电压，同时还要耐受灯内高 压气体的冲击。通常使用的灯头结构为：在灯头管壁和外置陶瓷套和金属套筒之间填充硅 胶或环氧树脂。当胶粘层太厚而未固化完全或内部存在空气隙时，就可能导致灯头被高压 电击穿。新型的灯头无论在结构还是使用性能方面都有明显的改善（见图３）。灯头中心的 电极座与金属套筒之间分别是：内层为胶粘密封层，中间层为环氧树脂层，外层为陶瓷套， 层层叠加构成了“三明治”绝缘层结构。内层与电极座粘合的胶粘密封层（图中黑域） 为特种ＲＴＶ胶液，具有良好的分子吸附作用，能全程阻断高压电沿电极座的管壁爬电的路 径。同时，“三明治”绝缘层和其端面金属套筒与电极引出线之间的硅胶密封层以及“ｏ” 形密封圈三者合在一起构成了灯头完整的密封和绝缘效果。 改进后的灯头结构极大的提高了绝缘性能，对所制的脉冲氙灯进行试验测定，其灯头 ．．２７７．． 耐压达到ＤＣ５５ｋＶ，漏电流＜１ｕＡ。基本上防止了高压漏电电流过大甚至高压电击穿现象 的发生。极大提高了灯头的安全运转性能，从而提高了高功率脉冲氙灯的寿命。 陶瓷层 图３脉冲氙灯灯头结构 ３．新的试验检测方法 高功率固体激光器通常需要有兆焦耳的脉冲激光能量输出，因此脉冲氙灯的安全性对 激光放大器而言，是十分重要的。为了确保脉冲氙灯在激光装置中的安全性，在使用之前 必须对脉冲氙灯的极限负载能量和寿命进行检验与测试。 脉冲氙灯的极限负载能量，即爆炸能量，可用国际通用的Ｇｏｎｃｚ公式表述： Ｅ，＝１２三Ｄ√彳（Ｊ） 其中Ｌ（ｃｍ）为灯内放电间距，Ｄ（ｃｍ）为灯管内径，Ｔ（１ａｓ）为放电脉宽。 脉冲氙灼‘的工作能量Ｅｏ＝％ｃｙ２（Ｊ）， 其中Ｃ（斗Ｆ）为工作电路中电容，Ｖ为工作电路中电压（Ｖ）。 Ｅ ， 负载系数ｆｘ－－＇－Ｄ％。 ／～ｏ 过去，为了验证脉冲氙灯的极限负载，通常采取让Ｅｏ不断逼近Ｅｘ，直至使灯能在一次 放电过程中爆破，从而检验灯的安全性。 但随着脉冲氙灯口径和长度的增加，其极限负载相应增大，通常的试验设备和条件难 以使幻。在一次放电过程中爆破。因此，我们采用了新的试验思路，即灯的加速寿命试验方 法。 利用管状脉冲氙灯的寿命公式：ｍ＝ｆｖ叫ｊ８，我 们先选定＆的值（通常取０．５￣ｏ．７），可计算得脉冲氙 灯寿命ｍ。当选定后，工作能量Ｅｏ也相应被选定。 在选定的二［：作能量Ｅｏ条件下点灯测试脉冲氙灯 的实际寿命ｍ’，再与理论计算得到的ｍ值进行比较， 只有ｍ’＞ｍ才表明脉冲氙灯的极限负载符合安全要 求。 将加速寿命试验测定的ｍ’值导入寿命公式和负 ．．２７８．— 图４电容电感放电回路 ， 载系数公式，可推导出Ｅ。，然后再与Ｇｏｎｃｚ公式计算得到的Ｅ。进行比较。 我们采用电感电容放电回路对几种不同规格的脉冲氙灯进行了极限负载试验。如图４， 图中Ｃ为电容，Ｌ为电感。 试验的情况和结果如表１。 表１脉冲氤灯极限负载试验结果 氙灯规格 工作能量 负载系数 理论寿命 实际点灯 实验结果 （ｍｍ） Ｅｏ（Ｊ） ＆ ｍ（次） 次数 ①１６ｘ３８０ ８４５７ ０．７ ２ｌ ２５ 灯完好，灯内气体稍发绿 ①２０ｘ３８０ １４４００ ０。７４ １４ １５ 灯完好，灯内气体有些发绿 中２０ｘ】１４０ ５６０００ Ｏ．６９ ２４ ２５ 灯完好，电极有轻微龟裂 ①２２ｘ１２７０ ８２２８６ ０．６９ ２４ ２５ 灯完好 ， 根据试验结果推算，发现我们研制的新型高功率脉冲氙灯的极限负载Ｅ。普遍要大于 由Ｇｏｎｃｚ公式计算得到的Ｅ。，即意味着脉冲氙灯具有更高的工作寿命。 经我们检验合格的高功率脉冲氙灯在我国２０００年建成的神光ＩＩ高功率激光装置主机 上做了２０轮的实验，累计实现了２０００多发次的打靶成功率。从１９９８年以来，已研制了 ８００多支高功率脉冲氙灯提供神光ＩＩＩ原型主机的试验，并实现激光输出，有力地保证了神 光ＩＩＩＩ‘．任－．Ｉ－１建设的要求。研制的高功率脉冲氙灯经实际运行的考核，基本达到“零击穿”、“零 爆炸”的国际先进水平。 ４．结论 近年来，我们围绕高功率激光系统光泵光源开展了大量的工作，在材料结构、制备丁： 艺以及对高功率脉冲氙灯安全性能的试验检测方面，都取得了新进展和突破；研制生产的 不同型号规格的高功率脉冲已成功应用于高功率激光系统。 参考文献 １．复旦大学电光源实验室．电光源原理．上海人民出版社，１９７７ ２．Ｉ．Ｓ．Ｍａｒｓｈａｋ．Ｐｕｌｓｅｄ ＬｉｇｈｔＳｏｕｒｃｅｓ． ＣｏｎｓｕｌｔａｎｔｓＢｕｒｅａｕ．ＮｅｗＹｏｒｋ，１９８４ ３。杨滓基。 《气体放电》。科学出版社 ４．《石英玻璃》编写组．石英玻璃．中国建筑工业出版社，１９７１ ５．李海兵，胡丽丽，林文正等。脉冲氙灯用截紫外石英玻璃管性能的研究．中国激光， ２００４，３１（６）：６５４～６５８ —．２７９—．

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