ICF靶场中光束口径与列阵间隔的研究

　　0　引言

　　根据国际上惯性约束聚变(ICF)靶物理研究的实验数据和模拟计算的结果,用1~2 mJ的短波长激光可间接驱动靶点火并能获得适中的增益(10~20),用5~10 mJ的驱动器能实现高增益,聚变产额可望达到1000 mJ.为实现大能量、高功率的激光输出,世界上主要的大型ICF装置大都采用多路激光同时入射靶室,照射靶丸的方案,例如美国正在建造的“国家点火装置”就采用了192束激光以获得1.8mJ的激光输出[1].

　　目前,我国“神光2Ⅲ”主机共采用64路激光光束,为保证“神光2Ⅲ”装置总体排布合理,缩小装置体积,“神光Ⅲ”主机中采用4×2列阵结构作为基本束组来排布激光光束,光束列阵间隔的合适与否,对激光器的关键单元如片状放大器模块、空间滤波器模块[2]、靶场大口径反射镜模块等等的结构设计排布及优化有较大影响[3].本文以靶场反射镜架模块的设计来讨论靶场中光束口径与阵列间隔间的关系.

　　1　“神光2Ⅲ”原型靶场反射镜架设计中遇到的问题

　　“神光2Ⅲ”原型装置在总体结构上采用4×2列阵结构,通过原型装置的总体机构设计,发现在靶场大口径反射镜架模块、放大器模块、空间滤波器等功能模块的设计中,4×2列阵结构中各光束间的纵向间距与横向间距的选择对机构尺寸、机构原理方案等方面的选择有较大的限制.“神光2Ⅲ”原型装置中激光束到达靶场时的单光束口径为300 mm×300 mm,由于物理实验的需求,需将主放大级输出的八束光编组、对称排列等光程立体传输,以45°角入射真空靶室,因此每束光需经过若干拐角点才能最终到达靶室,在每个拐角点上均放置一块反射镜,安装角度分别有45°、11.25°、33.75°、22.5°这几类,其中以45°角放置的光束截面积最大,即为传输光束所需的反射镜面积最大,结构设计所需空间及列阵间隔也最大,因此以下分析都针对45°的情况进行.

　　在“神光2Ⅲ”原型装置中该反射镜片的尺寸为540 mm×340 mm×60 mm,由于“神光2Ⅲ”原型装置光束纵向中心间距为360 mm,因此在分束对打时,两块以45°角相对放置的反射镜片切角后之间的裸镜距离只有10 mm,见图1.如此狭小的空间位置对于在结构上保证反射镜使光束按预定方向传输以及保证光束质量起到了很大的限制.合理的控制光束口径与列阵间隔之间的关系对于采用合理的镜架结构,从而保证靶场反射镜架模块有效的传输光束,降低反射镜片的变形[4]以及高效安全的更换反射镜模块都有着十分重要的作用.

　　2　靶场光束口径与列阵间隔关系的推导