强激光与粒子束杂志

强激光与粒子束杂志2023年第7期

• KDP类晶体的激光损伤研究

  赵元安, 连亚飞, 李婷, 彭小聪, 王岳亮, 吴金明, 常俊秀, 胡国行, 邵建达,

  KDP类晶体是唯一可以满足ICF激光驱动装置通光口径的非线性光学晶体材料。该类晶体采用水溶液生长法生长，易于产生宏观包裹体和微观晶格缺陷，在高功率激光辐照下晶体内部易产生高密度pinpoint损伤现象，这与其他方法生长的晶体只是受限于光学加工的表面损伤问题相比具有明显不同。KDP类晶体内部的缺陷或前驱体诱导激光损伤与晶体切向、激光波长及偏振方向等密切相关，使得应用于ICF激光驱动器中不同光学功能的、来源于同一晶坯的不同晶体元件也表现出损伤性能的差异性，因此其损伤机理非常复杂，迫切需要认识该类晶体的激光损伤机理问题。回顾了上海光学精密机械研究所联合福建物质结构研究所、山东大学等晶体研制单位联合开展的关于KDP类晶体激光诱导损伤特性的研究工作，进行了用于光开关、倍频以及混频等功能的KDP和不同氘含量DKDP晶体的激光损伤研究，指导了晶体生长工艺优化和过程关键因素控制，并对仍存在的问题及解决方案进行了展望，对于高性能KDP类晶体的研制以及在高功率激光系统中的合理应用具有参考价值。

• 熔石英等光学材料激光损伤疲劳效应

  朱景国, 田野, 杨英, 张鑫, 郑胜亨, 王德恩, 韩伟,

  以熔石英材料为主，以几种典型（铌酸铋晶体、三硼酸锂晶体和HfO2/SiO2多层膜）的光学材料为辅，介绍了其疲劳效应的主要表现；总结了激光波长、光斑直径、激光频率和材料位置对疲劳效应的影响；介绍了疲劳效应的两种模式：统计性的假疲劳和材料改性的真疲劳；介绍了疲劳效应的三种主要的机理解释：吸收缺陷模型、化学键断裂模型、色心模型；比较了疲劳实验中两种实验模式，并指出了两者的优缺点和适用研究对象。调研表明，对于不同类型的材料，使用不同的激光波长或其他差异条件，就有可能有不同的疲劳现象、源于不同的疲劳机理。

• 355 nm和1064 nm激光辐照下DKDP晶体的表面损伤特性

  史晋芳, 邱荣, 郭德成, 周磊, 蒋勇, 周强, 余健, 陈元攀, 谢准,

  利用Nd:YAG激光器研究了DKDP晶体元件在激光辐照下的表面损伤特性，对比研究了355 nm和1064 nm激光辐照下晶体元件的表面损伤形貌，分析了每种损伤形貌对应的前驱体和损伤机制。研究结果表明：相对于体损伤，晶体的表面损伤更加复杂，在脉宽约10 ns、损伤概率小于等于50%的激光能量密度辐照下，DKDP晶体的表面损伤主要有带坑底空腔损伤坑、表面损伤裂纹、平底损伤坑、表面烧蚀四种典型形貌。通过光学显微镜和扫描电子显微镜的成像和分析发现：带坑底空腔损伤坑和表面损伤裂纹的前驱体都是晶体体缺陷，平底损伤坑的前驱体则可能是表面加工裂纹、裂纹内碎屑、表层体缺陷等中的一种或多种，表面烧蚀主要由表面污染和浅表层缺陷形成。与熔石英光学元件一样，表面损伤仍然是晶体元件抗激光辐照损伤的薄弱环节。

• 单晶硅材料强激光损伤吸收波前模型的理论研究

  王毕艺, 赵万利, 向霞, 袁晓东, 祖小涛, 郑万国, 邓洪祥,

  改进了描述光学材料强激光损伤的吸收波前模型，在原有模型的基础上引入了杂质缺陷吸收项，并将一维形式推广到了三维。利用改进后的吸收波前模型，数值模拟了红外单晶硅光学材料在波长1064 nm皮秒激光辐照时杂质源（以金属铁为例）附近材料的温度、损伤半径及损伤阈值等变化情况，并分析了光学材料初始温度对损伤阈值的影响规律。数值结果显示：（1）与传统的热传递模型不同，在损伤阈值附近，激光场能量密度从低于损伤到达到（或超出）损伤的微小变化导致温度场的巨大变化；（2）达到损伤能量密度后，杂质附近的最高温度及利用吸收波前表征的材料损伤半径随着辐照能量密度的增加近似线性增长；（3）激光损伤阈值随着材料初始温度的增加而降低。研究结果表明改进后的吸收波前模型可以较好地描述光学材料的杂质缺陷诱导强激光损伤：相比于传统的热超导模型，吸收波前模型可以更合理的表示损伤阈值附近温度场的突变，并可定量分析杂质诱导光学材料的强激光损伤尺寸。另外对单晶硅吸收波前模型的研究还显示提升材料的初始温度可以有效降低材料的强激光损伤阈值，这为提升光电对抗中光电探测器的激光损伤效率提供了一种思路。

• 基于光纤激光倍频的高功率绿光光源研究进展

  马天, 李富全, 林宏奂,

  详细调研了近年来基于光纤激光倍频的高功率绿光光源的研究进展，绿光激光功率从百瓦到千瓦，光束质量近衍射极限，而且输出功率有望进一步提升。采用光纤激光倍频技术得到高功率绿光光源的技术路线大致分为两条：一条是用高功率单子束光纤激光器作为基频光源，然后级联单程非临界相位匹配LBO晶体作为倍频；另一条是用多子束光纤激光器作为基频光源，然后合成与倍频分别实现，或者合成与倍频一体实现。对比两条技术路线，前者相对后者简单，后者具有更高输出功率的潜力，但是倍频晶体的弱吸收是两条技术路线共同面临的问题。

• 100 kHz高功率高光束质量纳秒激光振荡器

  杨天利, 杨晶, 周王哲, 李雪鹏, 王小军, 彭钦军,

  高功率、高重复频率纳秒脉冲激光广泛应用于激光切割、激光焊接等领域。随着激光重复频率的提升，特别是高于50 kHz时，单个周期有限的时间内难以积累足够的上能级粒子，调Q脉冲的稳定性成为了激光器设计的难点。当前主要采用主振荡器的功率放大器（MOPA）方案，直接振荡获得兼具高功率、高重复频率及高光束质量的纳秒脉冲激光还比较困难。通过对激光动力学过程的仿真模拟，定量分析了高重复频率调Q过程中脉冲强度稳定性与泵浦速率的关系，并利用负透镜使振荡器工作在具有较大基模体积的热近非稳区，实现了Nd:YAG声光调Q激光振荡器在高重复频率、高功率、高光束质量三方面的均衡设计。首次利用侧泵模块实现了100 kHz高功率高光束质量纳秒脉冲激光的直接振荡产生，脉冲强度的离散系数仅为0.041，激光输出功率超过142 W，脉冲宽度为165 ns，光束质量因子M2为1.5。

• 2.94 μm室温连续Er:YAG激光器的研制

  刘政邑, 叶先林, 张淞, 魏星斌, 任怀瑾, 王卫民,

  研制了一种结构简单的LD端面泵浦2.94 μm Er:YAG连续激光器。该激光器采用双端键合YAG端帽方式降低了晶体的端面温度。泵浦源采用小芯径的输出光纤和非球面镜耦合系统，减小了小泵浦光斑在晶体中的发散速度，并提高了泵浦均匀性。当泵浦光波长为969.7 nm时，Er:YAG晶体前段对泵浦光的吸收较弱，因此激光器增益介质前端热聚集效应得到了缓解。通过热像仪在实验中对键合和非键合Er:YAG晶体端面温度进行观测对比，并使用COMSOL软件对激光器热分布进行了模拟分析，证明了上述措施对减小高掺杂Er:YAG晶体热效应的有效性。最终成功实现了155 mW的2.94 μm连续激光输出。另外还观测到激光器输出波长随泵浦功率增加的红移现象并对其在能级跃迁层面进行了理论解释。

• 基于神经网络的消色差旋转双棱镜反向解算

  罗昊鑫, 姚宇翔, 潘文武, 游安清,

  为了实现基于双棱镜的光电跟踪平台，需要根据光束指向精确求解两棱镜转角。基于非近轴光线追迹法与二步法，利用神经网络拟合了消色差旋转双棱镜角度差值与偏转角之间的关系，并在求解方位角与消色差旋转双棱镜两组棱镜转角的时候，将其中的非线性关系与线性关系分开，利用神经网络对其中的非线性关系进行了拟合，最终得到了消色差旋转双棱镜转角与出射光束指向的数值关系。实验表明，在仅用3层神经网络共20个神经元的条件下，得到了两棱镜旋转角度反向解算值达到了 0.000 1°量级。

• 激光-等离子体相互作用正电子发射研究进展

  蔡达锋, 王剑, 谷渝秋, 郑志坚,

  介绍了激光-等离子体相互作用产生正电子的相关实验和数值模拟研究进展。简要回顾了激光-等离子体相互作用正电子的发现过程及激光-等离子体作用产生正电子的三种物理机制；详细地叙述了激光与物质相互作用产生正电子的两类典型实验方式（即直接方式和间接方式）及相关的实验和数值模拟结果；对激光-等离子体相互作用产生正电子的研究进行了评述。从现有研究进展来看，目前理论研究和实验研究所获结论差异较大，还需要从激光设备、实验方案设计以及理论和模拟研究方面做大量细致的工作。

• 基于低秩约束和全变分正则化的CUP-VISAR压缩图像重构算法

  郑铠涛, 李海艳, 甘华权, 黄运保, 理玉龙, 景龙飞, 关赞洋, 黄庆鑫, 余远平,

  针对基于超快压缩成像(CUP)与二维任意反射面速度干涉仪(VISAR)获得的压缩图像重构冲击波二维条纹的问题，提出了一种基于低秩约束和全变分正则化的压缩图像重构算法。该算法利用条纹图像空间结构的相似性以及平滑性，将重构问题转化为核范数最小化和全变分正则化的优化问题，利用即插即用的交替方向乘子法将优化问题分裂为多个子问题求解，实现了CUP-VISAR压缩图像的精准重构。仿真结果表明，在大噪声的条件下，重构图像的峰值信噪比提高了8.45 dB，结构相似性提高了8.52%，重构效果优于主流重构算法。进一步设计实际实验，实验结果表明，冲击波条纹的最大速度相对误差从13.5%降低到3.46%，减少了近10%，验证了算法的有效性。

• 高功率超宽带组合天线的设计与实验

  吴昊, 屈劲, 陈世韬, 余川, 刘良, 石小燕,

  为满足高功率纳秒脉冲的发射需求，设计了一种适用于高功率微波的超宽带组合天线，对比了将点馈式巴伦和直馈式巴伦应用于高功率超宽带组合天线后天线的驻波曲线和表面电场分布情况，分析了组合天线阻抗与尺寸的关系，利用Klopfenstein阻抗渐变线降低反射，利用可调平板调整天线磁偶极子面积以提升天线低频性能，并通过驻波测试实验加以验证。在此基础上，进行了高功率微波实验，在全底宽3 ns、峰-峰值121 kV、中心频率329 MHz高功率双极脉冲的激励下，可实现功率容量73 MW，有效电压增益1.97。

• E型波导振荡器反转永磁引导系统初步设计

  曾彩萍, 薛宇哲, 杜创洲, 尹磊, 徐彻, 刘庆想,

  开展了E型波导振荡器永磁引导系统的物理与设计研究。对强流相对论电子束在理想方波形反转引导磁场中的传输条件进行了理论分析，给出了相对论条件下轴对称复合场中电子束的傍轴轨迹方程和最小引导磁场的计算公式。根据该理论分析，针对C波段E型波导振荡器高频互作用区的结构特点，设计了反转永磁引导系统，同时给出了漂移管内各个磁场分量的表达式。该系统由轴径向磁化空心永磁体组合产生反转引导磁场，永磁体的总质量约为2.5 kg。采用爆炸发射阴极，展示了强流相对论电子束在该引导磁场中的传输特性。研究结果显示，所设计反转永磁引导系统可引导400 kV、580 A的环形电子束稳定通过半径为6 mm的漂移管，带入器件，得到112.5 MW的4.8 GHz微波输出功率，效率为48.49%，确定了反转永磁引导系统应用于E型波导振荡器的技术可能性。

• 多胞超导射频腔整腔调谐场平坦度模拟研究

  王岩, 马震宇, 徐凯, 常强, 张志刚, 罗琛, 黄雪芳, 郑湘, 赵申杰, 赵玉彬,

  简述了用于分析多胞超导射频腔场平坦度调节的微扰理论，推导了场平坦度的理论计算方法。针对超导腔微小范围内的纵向拉伸/挤压，进行理论计算分析与结构-电磁多物理场模拟计算以求得变形前后腔体场平坦度及其变化趋势，所得结果表明：理论分析结果与仿真计算结果基本一致，进一步深入验证了该微扰理论的有效性。在多胞超导射频腔的加工制造、运行过程中的关键环节，国际上广泛采用的两种方法——包括预调谐过程中的“先单胞后整腔”和运行时腔体调谐过程中“整腔拉伸/挤压”方法，基于分析结果，这两种方法正确性和合理性均在理论上得以验证。在超导射频腔腔型设计的第一阶段——单胞优化设计过程中加入结构-电磁多物理场分析，可使腔型优化设计过程更加高效，结果表明：优化后的单胞（包括端胞和中间胞）的频率敏感度应尽可能接近或相等，以保证在腔变形期间始终保持较好的场平坦度。

• 高能同步辐射光源快速轨道反馈系统数据分发方案设计与实现

  王道远, 金大鹏, 朱鹏, 谢哲新, 曾磊, 张玉亮, 何泳成,

  作为第四代同步辐射光源，高能同步辐射光源对束流轨道稳定性提出了极高的要求，即在500 Hz左右带宽范围内，储存环中束流轨道的水平和垂直方向稳定度要优于该方向束团均方根尺寸的10%。为实现上述目标，快速轨道反馈系统的延时要尽可能低。快速轨道反馈系统将束流位置监测器（BPM）数据从BPM电子学接收并分发至所有子站，其数据传输延时是系统的主要延时。对此，设计并实现了一种基于高性能现场可编程逻辑门阵列（FPGA）和高速收发技术的数据分发方案，来满足快速轨道反馈系统的低延时和高带宽的需求。经过验证平台的搭建与测试，系统数据分发总延时小于10 μs，且24 h内未出现误码，满足高能同步辐射光源快速轨道反馈系统的需求。

• 基于AC-Link的高增益AC-DC变换器拓扑设计及控制算法

  李伯堂, 刘庆想, 李伟,

  以AC-LinkTM能量变换的方式为基础，对变换器的拓扑结构和工作模式进行了改进，使谐振电路得以工作在双极性模式下，并基于新拓扑设计了相应的换流时序和控制算法，增强了变换器对三相输入电压波动的适应性，使其具备了理论上任意倍数的升压能力和高输入功率因数。利用Matlab/Simulink搭建了30 kW仿真模型，仿真结果显示，在三相电网输入、变压器变比1∶1及阻性负载的条件下，输出电压达到3 kV，升压能力达到了6倍。这表明该变换器具有大范围输出电压工作的能力。

• 高鲁棒性双极性高压隔离采样电路设计

  李波, 马勋, 赵娟, 李洪涛, 张信, 康龙飞, 康传会, 李松杰, 肖金水,

  根据大容量能库型装置双极性充电电源对采样电路的高鲁棒性、正负极性均可控等要求，研制了一种隔离电压大于30 kV、隔离转换电压误差小于0.1%的正负双极性直流高压隔离采样电路。采用电压/频率、频率/电压转换方法，通过光纤、变压器隔离等措施，实现了正负双极性直流高压同时隔离采样，解决了目前双极性直流高压电源存在的正负极性电压不平衡、控制信号与高功率系统地隔离不完全问题，提高了电源的抗电磁干扰能力。该电路在±10 kV双极性充电输出时，正负极性电压偏差小于0.1%，100多台充电电源在18.3 MJ脉冲装置放电产生的复杂电磁干扰环境下可靠稳定运行。

• 纳秒脉冲电压下两种自触发开关的设计与实验研究

  崔光曦, 李俊娜, 王海洋, 陈旭良, 王永亮, 刘建, 李楚男, 李奇胜, 石凌,

  降低纳秒脉冲电压下气体开关的抖动对电磁脉冲模拟装置输出稳定性具有重要意义。特别在受条件约束、外触发不便的条件下，自触发开关抖动的降低值得关注。设计了两种自触发开关，包含阴极刻槽开关和预电离开关，并搭建了纳秒脉冲实验平台，分别在40 ns、70 ns 与120 ns三种脉冲前沿下测量了两种开关的击穿电压、时延等参数，通过数据统计与处理，获得了两种开关的击穿电压及时间抖动。实验结果表明：通过阴极刻槽控制发射或者阴极预电离注入的方式均可有效降低开关的击穿抖动；在三种前沿的脉冲电压下两种开关的击穿抖动均在1～1.8 ns之间；在40 ns和70 ns前沿脉冲作用下，阴极刻槽的开关击穿抖动更低，可小于1.2 ns，击穿电压分散性小于1.29%；在120 ns前沿脉冲作用下，阴极预电离开关击穿抖动更低，可小于1.6 ns。

• 铜金属氦损伤的分子动力学模拟

  闫鹏辉, 张宝玲, 时永兴, 马一怡,

  采用分子动力学方法模拟了金属铜的氦辐照损伤，在原子尺度上观察氦辐照下铜金属微结构的变化过程，分析并对比了单晶铜与多晶铜的微结构和力学性能随氦原子数增加的变化情况。结果表明，随原子数增加，单晶铜的缺陷对数目呈规律性地先增加后减少，且峰值不断增高；多晶铜的缺陷对数目呈上升趋势，但波动规律不明显。拉伸性能测试显示，氦辐照会导致铜的屈服强度降低，当氦原子分数达0.54%时，单晶铜和多晶铜的屈服强度分别下降46.94%和49.2%。

• 基于ARCON方法的先进小堆燃料操作事故放射性后果分析

  王韶伟, 王一川, 巩建业, 陈海英, 李帷, 刘巧凤,

  根据小型供热堆的设计特点，建立了燃料操作事故源项计算模型，研究事故后放射性核素的释放，并基于国外小型堆事故放射性后果分析经验和RG4.28提供的ARCON方法，开展了燃料操作事故后大气弥散因子和场址边界处个人所受剂量的分析。结果表明：燃料操作事故后2 h，燃料包壳间隙的放射性核素释放到环境中，释放到环境的放射性活度达到1014 Bq水平，其中惰性气体的释放量高于碘，133Xe释放量最大；事故后30 d燃料操作事故所致的场址边界处个人有效剂量和甲状腺剂量可满足剂量限值要求，剂量最大值位于东北东方位。

• 铅铋堆系统分析程序开发初步研究

  罗勇, 潘麒文, 杨尚东, 辜峙钘,

  为解决多维计算程序对铅铋堆主回路进行长时间模拟时所需计算资源庞大的问题，基于自主开发的一维CFD程序，将零维点堆动力学模型及二维燃料棒传热模型集成到其中，并进行多物理场耦合，开发了一款适用于池式铅铋堆的系统分析程序。使用OECD/NEA发布的加速器驱动次临界系统（ADS）失束事故国际基准例题，对所开发程序进行稳态以及瞬态验证，以确保模型准确性。验证结果表明，所开发程序在关键参数上与发布结果吻合较好，且所需计算资源明显小于多维程序，证明了该程序可以对池式铅铋堆进行初步的热工水力及安全分析。

• 复杂背景下的低空无人机检测与跟踪算法

  汪建伟, 游疆, 万敏, 顾静良,

  提出一种基于YOLOv5与CSRT算法优化的实时长跟踪方法，实现了对无人机在净空、城市、森林等场景的稳定跟踪。针对跟踪的不同阶段建立不同分辨率的两个捕获网络，分别对两个网络进行小目标检测优化和性能优化，并根据无人机数据集特点对其进行正负样本的添加以实现数据增强。然后，对CSRT算法使用GPU进行优化并结合特征点提取构建了低空无人机检测与跟踪模型。最后，将算法使用Tensorrt部署后在自建数据集上进行实验，实验结果表明，所提方法在RTX 2080Ti上实现了400FPS的跟踪性能，在 NVIDIA Jetson NX上实现了70FPS的性能。在实际外场实验中也实现了稳定的长时间跟踪。

• 基于VMD-OptShrink的增强型电磁轨道炮炮口电压噪声压制及应用

  闫杰, 李菊香, 陈毅, 王毅, 叶蔚生,

  利用电磁轨道炮炮口电压测量信号可以计算出发射过程中滑动电枢与铜轨道表面的接触电阻以分析接触特性。由于发射器增强轨道的特殊结构会产生幅值很大的反向感应电动势，且存在脉冲形成网络的放电时序问题，导致检测到的炮口电压波形会受到系统噪声的干扰，难以准确计算出接触电阻。针对此问题，提出一种基于VMD-OptShrink的炮口电压系统噪声压制方法去除炮口电压中的锯齿状噪声，该方法首先利用变分模态分解（Variational Mode Decomposition，VMD）可实现依据频率特性进行信号时域分解的特点，对炮口电压信号进行时频域的模态分解，然后在时频分解域内利用OptShrink对分解信号进行低秩成分提取，得到去噪后的炮口电压，最终解算出接触电阻用于分析轨道炮枢轨接触特性。试验结果表明，该方法可以很好地压制炮口电压系统噪声，计算出的枢轨接触电阻波形光滑，有利于分析枢轨接触特性；枢轨接触电阻在发射初期变化剧烈，迅速降低，之后呈现缓慢波动上升的特点，直至电枢滑动出炮口接触电阻骤增。该分析方法对工程中电磁轨道炮发射状态监测提供了一种新的可靠参考。