eng
Содержание
Содержание
Введение 8
Глава 1. Анализ фазовых искажений импульсной МЛУ
с адаптивной оптической системой 12
Введение 12
1.1.
Краткие сведения об импульсных МЛУ
и адаптивных системах для них 13
1.2.
Источники искажений волнового фронта излучения
в мощных твердотельных импульсных лазерах 21
1.3.
Анализ распределения фазовых искажений вдоль силового
канала и различных схем компенсации этих искажений 24
1.4.
Анализ бюджета фазовых ошибок адаптивной оптической
системы мощной импульсной лазерной установки 28
1.4.1.
Структура бюджета фазовых ошибок 28
1.4.2.
Волновой фронт излучения импульсных МЛУ 30
1.4.3.
Коррекция искажений волнового фронта с помощью
деформируемого зеркала и расходимость излучения
импульсной МЛУ 36
1.4.4.
«Турбулентность» в оптическом тракте ИМЛУ 44
1.4.4.1.
Методическое обоснование измерений волнового фронта
датчиком Шака — Гартмана с различным временным
и пространственным разрешением 45
1.4.4.2.
Методика оценки требований к компонентам АОС по изме-
рениям волнового фронта с недостаточным разрешением 47
1.5.
Критерии оптимизации системы управления ВФ
и требования к ней 49
1.6.
Проблема пространственной фильтрации
фазовых искажений в ИМЛУ 55
Заключение 62
Глава 2. Системы управления волновым фронтом в импульсных МЛУ 68
2.1.
Общее описание системы управления волновым фронтом 69
2.2.
Датчик волнового фронта 71
2.2.1.
Описание технической реализации датчиков
волнового фронта гартмановского типа 72
2.2.2.
Пространственная фильтрация в задаче измерения
волнового фронта [21] 82
2.3.
Компьютерная система управления волновым фронтом.
Алгоритмы управления. Усилительная аппаратура 85
2.4.
Эталон волнового фронта 88
2.5.
«Т-1»-система 90
2.6.
Дополнительные возможности системы
управления волновым фронтом 92
2.7.
Исследования и испытания систем управления волновым фронтом 93
Глава 3. Деформируемое зеркало — критический элемент
адаптивной системы импульсной МЛУ 100
3.1.
Определение облика деформируемого зеркала 101
3.1.1.
Определение числа приводов и схемы их размещения
на апертуре ДЗ 101
3.1.1.1.
Аппроксимация аберраций 102
3.1.1.2.
Расчет формы оптической поверхности 102
3.1.1.3.
Анализ заданных экспериментальных волновых фронтов 103
3.1.1.4.
Необходимое количество приводов и схема
их размещения на апертуре 103
3.1.1.5.
Адаптивное зеркало как фильтр пространственных частот 104
3.2.
Примеры практической реализации деформируемых зеркал для
различных ИМЛУ 106
3.3.
Экспериментальная отработка деформируемых зеркал 113
3.3.1.
Измерение характеристик деформируемых зеркал 114
3.3.2.
Повышение точности позиционирования оптической
поверхности АЗ 120
3.3.2.1.
Уменьшение чувствительности привода
и шага изменения напряжения 120
3.3.2.2.
Уменьшение ошибки квантования сигнала
(электронного «шума») 121
3.3.2.3.
Неравномерность отклика поверхности на воздействие
актюаторов на апертуре деформируемого зеркала —
дополнительный источник ошибок 122
3.3.2.4.
Использование двух деформируемых зеркал в схеме как
способ повышения точности 124
3.3.2.5.
Влияние других эффектов на точность отработки
поверхностью заданной формы 126
3.3.2.5.1.
Эффект «печати лунок» на оптической поверхности 126
3.3.2.5.2.
Гистерезис и ползучесть пьезоактюаторов — источник
ошибок формы поверхности 127
3.3.3.
Стабильность формы оптической поверхности
деформируемого зеркала 128
3.3.3.1.
Температурная стабильность формы поверхности 128
3.3.3.2.
Стабильность удержания формы поверхности
в течение двух часов 130
3.3.3.3.
Влияние количества вышедших из строя приводов
на СКОп 132
3.3.3.4.
Облучение оптической поверхности ДЗ светом
ламп накачки 133
3.3.3.5.
Анализ остаточной ошибки коррекции 135
3.3.4.
Управление формой поверхности АЗ 135
3.3.4.1.
Управление формой поверхности в составе
экспериментального стенда 135
3.3.4.2.
Управление формой поверхности
в составе установки «Луч» 137
3.4.
Промежуточные результаты комплексной отработки
широкоапертурных деформируемых зеркал 142
3.4.1.
Увеличение эффективного динамического диапазона переме-
щений поверхности и частотных характеристик системы 142
3.4.2.
Снижение массы, габаритов и энергопотребления
системы «АЗ-БУ» 143
3.4.3.
Сопоставление характеристик «АЗ-БУ» для АЗ200.1, АЗ200.2
и АЗ200.3 143
3.5.
Некоторые технологические аспекты изготовления
деформируемых зеркал 144
3.5.1.
Формирование оптической поверхности
адаптивных зеркал [47] 144
3.5.2.
Нанесение покрытий и контроль оптической поверхности 150
3.5.3.
Сборка адаптивных зеркал 152
Заключение 154
Глава 4. Применение методов и средств адаптивной оптики для задач
юстировки оптических трактов 159
4.1.
Общее описание существующих систем автоматизированной
юстировки силового канала 160
4.2.
Датчик волнового фронта как средство юстировки оптического
тракта ИМЛУ 173
4.3.
О возможностях адаптивной юстировки оптических систем 176
4.3.1.
Идея метода апертурного зондирования в приложении
к задачам юстировки 176
4.3.2.
Экспериментальная проверка возможности автоматической
юстировки 181
4.4.
Автоматизированная юстировка ИМЛУ как продукт сочетания
различных методов 184
Перечень принятых сокращений 194
Указатель важнейших обозначений 195
Предметный указатель 196
Даже хромой путник обгонит
быстро скачущую лошадь, если
он идет в верном направлении.
ФРЭНСИС БЭКОН
Предисловие
Вопросам лазерного термоядерного синтеза посвящено огромное количе-
ство публикаций. Познакомиться с введением в проблему можно, например,
по известной книге «Управляемый лазерный синтез» [1], тематическим сбор-
никам статей [2, 3] и другим изданиям.
В получении термоядерной энергии существуют три проблемы: вырабо-
тать нужное количество энергии для организации процесса ядерного синте-
за, организовать эту энергию для осуществления этого процесса и органи-
зовать отвод полученной энергии. И если первую проблему по рукотворной
выработке нужного количества энергии для целей термоядерного синтеза
можно считать решенной, то вторая задача на сегодня решена лишь в при-
роде (например, Солнце) и в виде термоядерного взрыва (то есть в неуправ-
ляемом виде). Одним из путей рукотворного получения сверхкритических
давлений и температур для реализации реакции слияния является инерци-
альный термоядерный синтез с применением лазерной энергии. Уникальные
свойства когерентного света теоретически позволяют реализовать управляе-
мую термоядерную реакцию [4]. Для этих целей разрабатываются и созданы
импульсные мощные лазерные установки, которые дают достаточное коли-
чество энергии для поджига мишени. Основная проблема в настоящее время
заключается в равномерном подводе этой энергии к поверхности мишени,
чтобы организовать равномерное ее сжатие, то есть в точном и прецизионном
наведении лучей многих лазеров на мишень [5].
Создание отечественной лазерной установки мегаджоулевого уровня
УФЛ-2М начинается существенно позже ее американского (установка NIF —
National Ignition Facility) и французского (LMJ — Laser MegaJoule) аналогов.
На вопрос «Есть ли отставание в отечественном развитии этого направления»
нет однозначного ответа. Установки такого класса планируется использовать
для получения систематических знаний о свойствах и поведении различных
материалов при параметрах, реализующихся в термоядерных реакциях. Аме-
риканские специалисты считают, что установка NIF должна дать такие зна-
ния на 50 лет вперед при 30-летнем времени ее жизни. Кроме того, на этих
установках проверяются технические решения, позволяющие перебросить
мостик к установке следующего поколения — прототипу термоядерного ре-
актора. Уже сейчас видны технические решения установок NIF и LMJ, кото-
рые были чрезвычайно затратны при создании и которые трудно применить
при реализации установок с частотой 10—15 выстрелов в секунду. Это, пре-
жде всего, системы автоюстировки по световым маркерам и электромехани-
ческий привод французских деформируемых зеркал. И, наконец, за время
создания установок подобного класса (10—15 лет) наблюдается существен-
ный прогресс в других, инфраструктурных областях техники. Начинающий
позже пользуется этими достижениями, например, в вычислительной техни-
ке, электронике, микрооптике и т. д.
Настоящая книга посвящена рассмотрению использования методов
и средств адаптивной оптики в системе управления волновым фронтом и ав-
томатизированной юстировки импульсных мощных лазерных установок.
Автор будет благодарен специалистам, нашедшим время для ознакомле-
ния с книгой и приславшим свои замечания или уточнения.
___________________________________
1. Бракнер К., Джорна С. Управляемый лазерный синтез. — М.: Атомиздат,
1977. — 144 с.
2. Лазеры и термоядерная проблема. Сб. статей. — М.: Атомиздат, 1973. —
216 с.
3. Проблемы лазерного термоядерного синтеза. Сб. статей. — М.: Атомиздат,
1976. — 296 с.
4. Басов Н. Г., Крохин О. Н. Условия разогрева плазмы излучением оптиче-
ского генератора. ЖЭТФ, т. 46, № 1, 1964, с. 171—175.
5. Moses E. I. The National Ignition Facility and the Promise of Inertial Fusion Energy.
LLNL-CONF-464130, 2010, 8p.
Введение
В последние пятнадцать лет в мире постоянно расширяется фронт работ
по созданию импульсных мощных лазерных установок (ИМЛУ) мегаджоуле-
вого уровня, при фокусировке излучения которых достигаются фантастиче-
ские плотности мощности и, как следствие, параметры, при которых протека-
ют термоядерные реакции. Возможность изучения поведения вещества в этих
условиях не только создает предпосылки для получения фундаментальных
знаний об устройстве Вселенной, но и способствует созданию новых техно-
логий. Так, успехи в создании ИМЛУ создают предпосылки для реализации
управляемой реакции термоядерного синтеза. Проводимые в программах LIFE
(США) и HiPER (Великобритания, международный проект) исследования по-
казывают, что можно существенно развить полученные при создании устано-
вок NIF (США) и LMJ (Франция) достижения и перейти к коммерческому ис-
пользованию подобных установок [1, 2, 4]. По заявлению директора установки
NIF Е. Мозеса уже в 2012 году ожидается «поджиг» термоядерной мишени [3]
(эксперименты по усилению были запланированы ранее на 2010—2011 годы).
Создание лазерных установок мегаджоулевого класса является своеобразным
индикатором уровня научного и технологического развития страны.
Каждый класс лазерных установок имеет свою специфику, равно как
и адаптивная оптика для этих систем, позволяющая существенно уменьшить
расходимость излучения и улучшить его спектральные характеристики. Ис-
пользуемые во всех ИМЛУ адаптивные системы позволяют в десятки раз уве-
личить плотность мощности на мишени, поэтому можно утверждать, что тех-
нология управления параметрами излучения является ключевой технологией
в подобных установках. Система управления волновым фронтом ИМЛУ от-
личается от традиционной адаптивной оптической системы более широкими
функциями. Управление параметрами излучения включает в себя управление
волновым фронтом, фильтрацию излучения, наведение и фокусировку его
на мишени. В настоящей работе рассмотрение ограничивается лишь силовым
каналом, имея в виду, что на входе и выходе из него должен быть отцентриро-
ванный пучок с плоским волновым фронтом.
Эффекты, связанные с фазовыми искажениями вследствие разогрева
оптических элементов в импульсных лазерах (например фемтосекундных),
становятся заметными с уровня энергии ~ 100 мДж, а при энергии силового ка-
нала ~ 1 кДж они являются определяющими даже для наносекундных систем.
ИМЛУ являются настолько благодатным объектом для применения адаптив-
ной оптики, что применение ее практически в любом виде дает эффект, часто
очень сильный. Когда речь идет о небольших энергиях и сравнительно неболь-
ших фазовых искажениях, то систему коррекции, по-видимому, целесообразно
устанавливать за силовым каналом. Если же энергия и, как следствие, фазовые
искажения существенно возрастают, а вместе с ними неравномерности профи-
ля интенсивности, то коррекцию фазы вкупе с пространственной фильтрацией
фазовых искажений целесообразно осуществить в силовом канале — резона-
торе — и пространственных фильтрах. В настоящей работе рассматриваются
только внутрирезонаторные системы.
В книге сделана попытка обобщения накопленного опыта по технологии
управления параметрами излучения в ИМЛУ и рассмотрения возможностей
более широкого применения в них достижений адаптивной оптики. Обоб-
щение строится на структурном анализе пространственного распределения
фазовых искажений, и задача достижения высокого качества излучения ста-
вится как задача пространственной фильтрации излучения. Именно поэтому
первая и наиболее обширная глава посвящена анализу фазовых искажений
и постановке проблемы управления параметрами излучения в ИМЛУ. Вто-
рая глава освещает устройство системы управления волновым фронтом и ее
элементов. Ключевым звеном в этой системе является деформируемое зер-
кало, детальному рассмотрению которого посвящена третья глава. Вопросам
юстировки силового канала и его элементов посвящена четвертая глава, в ко-
торой также рассмотрена возможность более широкого применения средств
и методов адаптивной оптики в задаче управления параметрами излучения.
Но наибольшее внимание в работе уделено двум аспектам: аберрационному
анализу излучения импульсных МЛУ и созданию деформируемых зеркал
для коррекции волнового фронта излучения. Детальное изучение излучения
МЛУ позволяет сформулировать требования к элементам и к собственно си-
стеме управления волновым фронтом. Деформируемые зеркала должны быть
высокоточными, стабильными и работать в уникальных условиях — при вы-
соких потоках энергии в сильных электромагнитных полях.
Освещение основных технических решений при создании элементной
базы адаптивной оптики для ИМЛУ сделано в историческом разрезе. Ли-
тературные источники отражают основные этапы разработки (в основном
установки NIF, на лицевой стороне обложки приведен общий вид второго
лазерного отсека установки NIF): 1) идеологические наработки основных
концептуальных решений (соответствуют этапам технического предложе-
ния и эскизного проекта) были сделаны на основе предыдущего почти трид-
цатилетнего опыта и современных для начала 90-х годов прошлого столетия
решений. Концептуальный проект установки NIF был выполнен в 1994 году
[7]; 2) результаты расчетно-экспериментальной проверки основных техниче-
ских решений отражены в литературе 1997—2000 годов; 3) результаты созда-
ния и испытаний опытного образца установки NIF (узел из восьми каналов)
освещены в серии публикаций 2004—2006 годов. 4) Более поздние публи-
кации относились к освещению текущего статуса создания и осмыслению
перспектив развития. 5) После пуска установки в 2009 году в основном сооб-
щается об очередных достижениях, но, вместе с тем, по результатам доводки
установки в процессе эксплуатации в 2010—11 годах опубликован ряд работ,
нашедших отражение в книге.
Следует обратить внимание на то, что во второй половине первого деся-
тилетия в США стартовала программа LIFE (Laser Inertial Fusion Energy), на-
правленная на создание лазерной термоядерной электростанции. В 2009—2011
годах опубликованы основные технические решения для прототипа лазерной
установки такой электростанции [1, 3, 4]. Они основаны на достижениях, по-
лученных в процессе создания установки NIF, и исследованиях, проведен-
ных на лазерной установке «Меркурий» (Mercury), и используют достигнутый
уровень материалов и технологий, ориентированы на современную произ-
водственную базу и оптимизированы по прогнозируемой стоимости элек-
троэнергии. Лазерная установка LIFE power plant (см. рис. на задней обложке)
содержит 384 силовых канала модульного типа, которые должны изготавли-
ваться в заводских условиях и транспортироваться к месту сборки. Каналы
собираются в узлы по восемь штук (аналогично NIF), которые располагаются
веером на разных уровнях вокруг мишенной камеры. Отработанные на лазере
«Меркурий» решения — диодная накачка активной среды и газовое (гелий)
охлаждение слэбов, позволяют повысить электро-оптический КПД до 18 %,
сильно уменьшить общие габариты установки и довести ее скорострельность
до 10—15 выстрелов в секунду. Скорострельность определяет новые требова-
ния к используемой в такой системе адаптивной оптике [5]. В качестве актив-
ной среды выбрано неодимовое стекло. Размер световой апертуры составляет
270 × 270 мм. Энергия на третьей гармонике должна быть более 2 МДж в им-
пульсе продолжительностью в несколько наносекунд. При коэффициенте
энергетического усиления 64 такая установка становится конкурентноспо-
собной по сравнению с традиционными источниками получения электроэ-
нергии. Создание установки ориентировано на частный бизнес, и на сегодня
в США уже насчитывается более 30 основных поставщиков, в числе которых
такие фирмы, как Дженерал Атомик (General Atomic) и другие. Капитальные
затраты создания пилотной электростанции оцениваются в четыре милли-
арда американских долларов [10]. Планируемый срок создания демонстраци-
онного прототипа — 2020 год, коммерческое использование предполагается
начать с 2030 года. Установка NIF должна обеспечить научный базис для раз-
работки термоядерных станций на первое время как минимум на 50 лет.
Написание настоящей книги стимулировано двумя событиями: 1) при-
нятием решения о создании в России ИМЛУ мегаджоулевого уровня УФЛ-
2М [6] и 2) серией сообщений о проектных решениях лазерной термоядерной
электростанции LIFE Power Plant (США) [1]. При создании больших устано-
вок возникает два аспекта: 1) так как создание идет длительное время, необхо-
димо обучать людей; 2) так как проектирование занимает ограниченное вре-
мя, чрезвычайно актуальным становится обмен информацией на всех этапах,
особенно вначале. По мнению автора, необходимо обобщить накопленный
опыт, зафиксировать уровень на начало реализации подобного мегапроекта.
Написание подобной книги преследует и определенные учебные цели. Соз-
дание установки NIF заняло около пятнадцати лет, и в этом процессе было
задействовано около трех тысяч человек на постоянной основе и постоянно
привлекались более семи тысяч человек, так что одновременно в процес-
се создания участвовало более 10 тысяч человек. Поставки в интересах NIF
осуществлялись с более чем 3000 предприятий из 47 штатов США [1]. Такие
масштабы требуют соответствующей подготовки кадров. Кроме того, автор
надеется, что книга будет полезна и для специалистов в смежных областях.
Структура книги сознательно выбрана открытой, каждая глава являет-
ся самостоятельной и может быть дополнена и исправлена без существенной
переработки остального текста, исходя из двух соображений. Во-первых,
для того, чтобы читатель мог выборочно ознакомиться с тем, что его инте-
ресует. Во-вторых, для того, чтобы была возможность расширять эти главы
по мере накопления опыта создания и эксплуатации адаптивных оптических
систем в ИМЛУ, то есть такой стиль объясняется существенной динамикой
развития данной области. Материал носит в основном описательный и ана-
литический характер. Математический аппарат в книге используется лишь
там, где нужно проиллюстрировать обоснованность или эффективность тех
или иных технических решений. Обилие приводимых цифр позволит лучше
почувствовать рассматриваемую проблему, книга сознательно перегружена
различными оценками.
Накопленный опыт разбросан по различным публикациям, в основном
англоязычным, зачастую труднодоступным для российского читателя. Так как
описываемая технология имеет передовой, инновационный и прорывной ха-
рактер, то многие вопросы умышленно остаются за кадром и без полной кар-
тины непонятно, почему отданы предпочтения тем или иным решениям. Автор
надеется, что настоящая книга послужит не только введением в предмет, но и
своеобразным началом координат, точкой отсчета, позволяющими проследить
за динамичными изменениями в этой области.
Несмотря на популярный стиль изложения, желательно, чтобы читатель
имел общее представление об импульсных твердотельных лазерах и основах
адаптивной оптики. Эти сведения можно почерпнуть, например, в книгах
[8, 9].
Изложенные материалы неоднократно обсуждались на совещаниях раз-
личного уровня, начиная с семинара лаборатории адаптивной оптики в ФГУП
«НИИ НПО «ЛУЧ» и заканчивая различными международными конферен-
циями («Оптика лазеров», Харитоновские чтения, «Оптика атмосферы и океа-
на»). Автор благодарен сотрудникам ФГУП «НИИ НПО «ЛУЧ» и Института
лазерно-физических исследований ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» за помощь, ока-
занную при подготовке материалов для данной книги.
___________________________________
1. https://life.llnl.gov.
2. www.hiper-laser.org.
3. Moses E. I. The National Ignition Facility and the Promise of Inertial Fusion Energy.
LLNL-CONF-464130, 2010. — 8 p.
4. Stolz C. J. The National Ignition Facility: The Path to a Carbon-Free Energy Future.
LLNL-PROG-474593, 2011. — 17 p.
5. Andreev N. E., Buchenkov V. Y., Charuktchev A. V. et al., Prospects of International
Cooperation in Ultra-High Intensity Lasers for Civil Application within the
Frame of the ISTC Activities. Sarov, RFNC-VNIIEF, 2010 — 76 p.
6. ЯОК ждет стабильное будущее. Страна РОСАТОМ, № 06 (51), февраль
2012, с. 1, 7.
7. Paisner J. A., Cambell E. M., Hogan W. J. The National Ignition Facility Project.
UCRL-JC-117397 Rev 1, 1994. — 15 p.
8. Мак А. А. и др. Лазеры на неодимовом стекле. — М.: Наука, 1990. — 287 с.
9. Тараненко В. Г., Шанин О. И. Адаптивная оптика в приборах и устрой-
ствах. М.: ФГУП «ЦНИИАТОМИНФОРМ», 2005. — 416 с.
10. Hand E. Laser fusion nears crucial milestone. Nature, 483, March 2012, p. 133—134.
Глава 1.
Анализ фазовых искажений импульсной МЛУ с адаптивной оптической
системой.
Создание масштабных объектов новой техники целесообразно начинать
с обобщения накопленного в данном направлении опыта. В настоящей рабо-
те сделана такая попытка в отношении адаптивных систем для импульсных
мощных лазерных установок (ИМЛУ) мегаджоулевого уровня. Действитель-
но, в настоящее время уже созданы и эксплуатируются как прототипы, так
и собственно ИМЛУ. В их составе используется адаптивная оптика, позво-
ляющая существенно уменьшить расходимость излучения и улучшить его
спектральные характеристики. Накоплен значительный опыт проектирова-
ния и эксплуатации таких адаптивных систем.
Вместе с тем эту проблему нельзя считать решенной до конца. Если про-
блемы наведения и фокусировки энергии можно считать решенными, то про-
блема обеспечения равномерной засветки поверхности мишени еще далека
до своего завершения. Наверняка и в решении этой проблемы адаптивная
оптика займет свое достойное место.
В современной литературе по адаптивной оптике есть лишь небольшие
замечания по поводу систем коррекции волнового фронта импульсных МЛУ.
Для этого есть несколько причин. Во-первых, для традиционной адаптив-
ной оптики, которая ушла далеко вперед по пространственному разрешению
и быстродействию (существуют системы, содержащие сотни и тысячи при-
водов и работающие с килогерцовым быстродействием), квазистатические
системы импульсных МЛУ казались архаикой, не представляющей проблем.
Во-вторых, это впечатление усилилось, когда в системах начали использовать
дешевые биморфные зеркала, так как эффект от использования таких систем
был мгновенным и довольно ощутимым, а затраты ничтожны.
По мере повышения мощности импульсных МЛУ возросли размер световой
апертуры и масштаб фазовых аберраций. Но особое значение приобрел пере-
ход к многопроходности и многоканальности систем. Во-первых, должно быть
повышено быстродействие систем управления волновым фронтом. Во-вторых,
особое внимание должно уделяться точности и стабильности этой системы.
При переходе к МЛУ импульсно-периодического действия, а именно такие
установки необходимы для реализации коммерческого термоядерного синте-
за (см., например, проект HiPER [28]) с частотой следования импульсов 10—15
импульсов в секунду, системы коррекции волнового фронта должны обладать
довольно высоким быстродействием и работать в условиях периодического от-
ключения с частотой следования импульсов. Кажущаяся простота на первом
этапе реализации в перспективе может превратиться в серьезную проблему.
В связи с устойчивой тенденцией к переходу к зеркалам с дискретным приводом
(установки LIL, LMJ, «Луч») биморфные зеркала рассматриваются здесь лишь
в историческом аспекте. Подробнее об этом можно узнать из работ [29, 30].
Адаптивная оптика в ИМЛУ применяется в двух взаимно связанных си-
стемах: системе наведения и системе управления волновым фронтом. Эти си-
стемы служат главной цели ИМЛУ — концентрации энергии на мишени.
В настоящей главе приводится детальный анализ фазовых искажений
волнового фронта лазерного излучения ИМЛУ. Подход к их компенсации ба-
зируется на пространственной фильтрации излучения.
1.1. Краткие сведения об импульсных МЛУ и адаптивных системах для них
Во всем мире созданы и создаются лазерные установки нового поколения
с мегаджоульным уровнем энергии: NIF (США), LMJ (Франция), HiPER (Ве-
ликобритания), Shenguang IV (Китай), УФЛ-2М (Россия) и др. Для отработки
основных технических решений, используемых при создании полномасштаб-
ных установок NIF, LMJ и УФЛ-2М, были построены прототипы — установ-
ки Beamlet, LIL и «Луч» соответственно [1—6, 51]. Некоторые характеристи-
ки этих установок приведены в табл. 1.1. Следует обратить особое внимание
на разрабатываемый прототип термоядерной электростанции LIFE (Laser
Inertial Fusion Energy) Power Plant (США) [45].
В настоящей работе сделана попытка обобщения накопленного миро-
вого опыта и анализа на примере адаптивной оптики, созданной для уста-
новки «Луч», рассматриваются проблемы применения адаптивных систем
в импульсных мощных лазерных установках (ИМЛУ). Сразу же подчеркнем
разницу с традиционными адаптивными системами, которая заключается
в том, что система управления волновым фронтом выполняет более широ-
кие функции и в режиме замкнутого контура работает лишь частично (более
подробно об этом будет сказано ниже).
На рис. 1.1 приведена оптическая схема установки «Луч» [7]. Излучение
из системы формирования опорного излучения (СФОИ предназначена для:
1) формирования спектральных, угловых, пространственных и временных
характеристик пучка; 2) деления пучка на 4 и 3) запитки входным сигналом
силовых усилительных каскадов) попадает в усилители 1 и 2 (усиление энер-
гии лазерного импульса от ~ 0,2 Дж на входе до ~ 3,7 кДж на выходе), отража-
Таблица 1.1. Сведения о различных импульсных мощных лазерных установках
№ Установка, страна Технические характеристики 1-ый вы-
стрел
1 National Ignition Facility
(NIF), США, 2012 — User
Facility
1,053 мкм, 4,2 МДж, 1,8 МДж + (3ω),
20 нс, 192 канала, 372 × 372 мм, цен-
тральная схема зажигания 9,6 кДж
с канала на 3ω
2009 —
1,2 МДж1
2012 —
Q = 1
1а Beamlet laser, США 4 (1) канала, 300 × 300 мм 1994
2 LIFE Power Plant, США 1,053 мкм, 2 МДж на 3ω, 3 нс, 10—15
выстрелов в секунду, 384 канала,
270 × 270 мм, коэффициент усиления —
64, ЭОКПД — 18 %
2020
3 Laser MegaJoule (LMJ),
Франция
1,053 мкм, 2 МДж + (3ω), 3 нс, 240 (174)
каналов, 360 × 370 мм, центральная, 600
выстрелов в год
2012
(2014) год
3а Laser Integration Line
(LIL), Франция
0,35 мкм, 1—9,5 кДж с канала, 0,3—
25 нс, 4 канала
2004 год
4 Fast Ignition Realization
Experiment (FIREX-II),
Япония
Сжатие — 0,35 мкм, 50 кДж, 3 нс;
Зажигание — 50 кДж, 10 пс, быстрая
схема зажигания
2017 год
4а FIREX-I: 1) Лазер для
сжатия GEKKO XII;
2) Лазер для зажигания
LFEX
4 канала, быстрая, 1,053 мкм, 10 кДж,
(2ω), 2 нс, 325 × 325 мм
1,053 мкм, 10 кДж, (2ω), 1—10 пс,
325 × 325 мм
2008 год
5 SG-III, Китай 0,35 мкм, 150 кДж, (3ω), 3 нс, 64 канала,
центральная и быстрая схемы зажигания
2010 год
5а SG-II, Китай 1,053 мкм, 6 кДж или 3 кДж (3ω), 1 нс, 8
каналов, ф200 мм
5б SG-IIU, Китай 18 кДж (3ω), 3 нс 2007 год
5в (SG-III prototype), Китай 8 каналов, 3 нс, 15 кДж (2ω) 2005 год
6 (SG-IV), Китай 1 МДж, центральная или быстрая 2020 год
7 High Power laser Energy
Research facility (HiPER),
ЕС (Англия)
Сжатие — 1,053 мкм, 200 кДж, 10 нс,
60 каналов, 360 × 370 мм; зажигание —
100 кДж, 10 пс, 2ω, быстрая, 1, 5—15
выстрелов в с
2020 год
8 УФЛ-2М, Россия 1,053 мкм, 2,8 МДж, (2ω), 3 нс, 192
канала, 400 × 400 мм, центральная схема
зажигания, 1 выстрел в смену , 2-я гар-
моника
2020 год
8а «Луч», Россия 1,053 мкм, 3,3 кДж/канал, 4 нс, 4 кана-
ла, 200 × 200 мм, 2 выстрела в смену
2004 год
1 15 марта 2012 года в мишенной камере установки NIF зарегистрирована энер-
гия 1,875 МДж на длине волны третьей гармоники, полученная из 192 каналов. К сле-
дующему выстрелу лазер был готов через 36 часов после рекордного.
1.1. Краткие сведения об импульсных МЛУ и адаптивных системах для них 15
ется от торцевого зеркала, проходит обратно через транспортный простран-
ственный фильтр с реверсером (ТПФ предназначен для ввода излучения
в 4-проходную усилительную систему и вывода излучения после четвертого
прохода), отражается от зеркала реверсера, совершает 3-й и 4-й проходы че-
рез усилительные каскады и выводится через ТПФ.
Деформируемое зеркало может быть размещено в различных местах схе-
мы: на входе и выходе, посередине за 2-м усилителем, на месте зеркала ревер-
сера. Также могут быть использованы различные комбинации из двух зеркал.
В качестве примеров на рис. 1.2а—в приведены архитектуры четырехпро-
ходных силовых каналов различных установок (NIF, LMJ, УФЛ-2М, Beamlet,
LIL и др.). Как видно, они очень похожи друг на друга, хотя и имеют отличия.
В силовом канале установки NIF (рис. 1.2а, 3) излучение четыре раза прохо-
Рис. 1.1. Оптическая схема лазерной установки «Луч»
КПФ
Л1 Л2
Л3
Л7
ТПФ
Л5 (f = 7 м)
Л4 (f = 11 м) Л8 (f = 11 м)
Л6 (f = 7 м)
Система формирования опорного излучения
В камеру взаимодействия
Дисковый
усилитель 2
Дисковый
усилитель 1
Преобразователь
излучения в 3-ю
гармонику
Реверсер (200х200) мм
Рис. 1.2. Четырехпроходная архитектура силовых каналов мощных импульс-
ных лазерных установок: а) NIF; опорные источники для центровки
расположены за деформируемым зеркалом (LM1) и зеркалом LM3;
б) LIL, LMJ, HiPER; в) УФЛ-2М
а
б в
Деформируемое
зеркало
Деформируемое
зеркало LM1
Зеркало
LM2
Выходной
датчик От лазера
впрыска
LM3
Кюветный
пространственный
фильтр
Кюветный
пространственный
фильтр
Транспортный
пространственный
фильтр
Ответвитель
диагностического
излучения
Транспортный
пространственный
фильтр
Ячейка Поккельса
с плазменными
электродами
Ячейка
Поккельса
и поляризатор
Транспортные
зеркала
Кассета
слэбов
Усилитель 2
Усилитель 1
К мишенной
камере
К мишенной
камере
Основной
усилитель
Опорный источник
для центровки Опорный
источник для
центровки Усилитель
мощности
М1
М2
ЯП
КПФ
ТПФ
Впрыск
Реверс
L-Turn или реверсер
Усилители
М1
М2
Впрыск
дит через основной усилитель и лишь дважды — через дополнительный уси-
литель [14]. Приведенная на схеме ячейка Поккельса и поляризатор служат
своеобразным затвором, блокируя одно из зеркал резонатора и открывая его
на момент выстрела. Транспортный пространственный фильтр имеет всего
два отверстия, через одно из которых опорное излучение входит в систему,
а через второе выходит мощное излучение. Длина кюветного пространствен-
ного фильтра установки NIF составляет 23,5 м (соответственно заднее фо-
кусное расстояние линз равно 11,75 м), а транспортного пространственного
фильтра — 30 м (15 м — заднее фокусное расстояние линз). Поверхность линз
пространственных фильтров имеет сложную форму для фокусировки из-
лучения квадратного профиля [47]. Силовые каналы установок LIL и LMJ
(рис. 1.2б, 3) имеют два усилителя, и излучение четыре раза проходит через
них, и транспортный пространственный фильтр имеет уже четыре отверстия.
Интуитивно понятно, что система наведения в этом случае должна быть бо-
лее точной, чем в схеме установки NIF. Аналогичная архитектура принята
и для силового канала установки HiPER [31]. На рис. 1.2в приведена объем-
ная иллюстрация силового канала установки УФЛ-2М, откуда видно, что она
схожа с архитектурой установки LMJ.
На рис. 1.3 приведены две различные реализации оптической схемы че-
тырехпроходного усилителя.
На рис. 1.4 приведен более детальный вариант оптической схемы уста-
новки УФЛ-2М, откуда можно видеть, что длина только силового канала со-
ставляет ~ 130 м.
Излучение из системы формирования излучения заводится в транс-
портный пространственный фильтр (ТПФ), после 1-го прохода отражается
от широкоапертурного ДЗ, после 2-го прохода через линзу вводится в ячейку
Поккельса (ЯП), после 3-го прохода второй раз отражается от широкоапер-
турного ДЗ и после 4-го прохода направляется на мишень.
Из приведенных примеров видно обилие оптических элементов в схемах
и сложность этих схем. Теоретически можно стремиться к созданию идеаль-
ных (в смысле отсутствия аберраций) оптических трактов, но это, во-первых,
не обеспечивается имеющимися технологиями, а во-вторых, чрезвычай-
но дорого. Поэтому во всех мощных импульсных лазерах для компенсации
Рис. 1.3. Различные реализации оптической схемы четырехпроходного уси-
лителя: верхняя реализована на LIL/LMJ (четыре прохода через оба
усилителя), нижняя — на NIF (два прохода через усилитель мощно-
сти и четыре прохода через основной усилитель)
Поляризатор
Поляризатор
Пинхол
Пинхол
Транспортный
усилитель
Усилитель
мощности
Кюветный
усилитель
Кюветный
усилитель
Пинхол
Реверсер
Впрыск
Впрыск
Пинхол
ДЗ
ЯП
ЯП
ДЗ
L1
L1
L2
L2
L3
L3
М2
М3
L4
L4
фазовых аберраций волнового фронта излучения применяются адаптивные
оптические системы. Как правило, это системы фазового сопряжения, рабо-
тающие по смешанному алгоритму: при коррекции статических аберраций
в активном режиме, а при коррекции термоиндуцированных или тепловых
аберраций — в режиме предустановки нужной формы поверхности дефор-
мируемого зеркала. Впрочем, нетрудно представить активный режим работы
системы вплоть до выстрела, если в систему в качестве минимизируемой це-
левой функции будет введено среднеквадратичное отклонение от заданной
виртуальной формы поверхности. Классическая адаптивная оптическая си-
стема фазового сопряжения содержит датчик волнового фронта (ДВФ), аппа-
ратуру управления и адаптивное или деформируемое зеркало (АЗ или ДЗ).
Требования к ДВФ для прямого управления деформируемым зеркалом
по измеренному волновому фронту и управлению с обратной связью суще-
ственно различны. В первом случае мы должны иметь ДВФ с достаточно боль-
шим динамическим диапазоном, тогда как во втором случае ДВФ вырабаты-
вает лишь сигнал ошибки (в идеале нулевой) и требования по динамическому
диапазону к нему существенно ниже, но появляются требования по линейно-
сти, точности и постоянной времени для устойчивой работы контура управле-
ния. Последнее несколько смягчается, так как контур управления может быть
достаточно медленным. В связи с этим целесообразно использовать в схеме
один ДВФ с большим динамическим диапазоном для измерения суммарных
аберраций волнового фронта излучения на выходе излучения из канала. Де-
формируемое же зеркало может быть размещено в различных местах оптиче-
ского тракта — от места выхода излучения из системы формирования излу-
чения (входа в силовой канал) до места выхода излучения из канала. Можно
также представить систему с двумя зеркалами, расположенными в различных
местах оптического тракта (например, как это показано на рис. 1.4).
Размещение зеркала на входе или выходе оптического тракта является
крайним случаем с точки зрения предъявления требований к зеркалу. В первом
случае затруднительно реализовать достаточное пространственное разреше-
Рис. 1.4. Вариант оптической схемы силового канала установки УФЛ-2М
Финальный
оптический
модуль
Длина силового канала — 128 м
Евх.рев. = 200 Дж, Qзерк реа = 10 Дж/см2
Габаритный размер слэба 808,5×458×41 мм
Световой размер 434×760 мм
Ввод
излучения
370×370 мм
416×416 мм 413×413 мм
390×390 мм
50 м
15 м 18,731 м КПФ ТПФ
2,5 м
7,2 м
70 мм
70 мм
35 мм
35 мм
8,8 м
5,6 м
7,731 м
7,2 м
10 Дж/см2
3,46 м
150 мм
30 мм
Расстояние от края зеркала
до пучка 4-го прохода – 22 мм
45 мм
64 мм
85 мм
14,231 м 10 м 10 м 30 м 30 м
397,8×724,6 мм 396,5×722,3 мм
ние на апертуре 50 × 50 мм (шаг между приводами должен быть не более 3,5 мм)
и затрудняется угловая селекция на первых проходах излучения в усилителе.
Во втором случае необходима высокая лучевая стойкость (гарантированный
запас по лучевой прочности должен превышать плотность выходной энергии
(10 Дж/см2) в 1,5—2 раза [8]) широкоапертурного (~580 × 420 мм) зеркала и его
большой динамический диапазон, а также ухудшается угловая селекция на по-
следних двух проходах. Установка в тракте двух деформируемых зеркал может
несколько снизить требования к каждому из зеркал, но удвоит количество эле-
ментов адаптивной оптической системы. При размещении зеркала за усили-
телем У2 излучение отражается от него дважды — после 1-го и 3-го проходов.
Очевидно, этот вариант наиболее сбалансирован с точки зрения как угловой
селекции и коррекции излучения по всему оптическому тракту, так и предъяв-
ляемых к зеркалу требований. Кроме того, установка зеркала за усилителем У2
позволяет снизить требования по лучевой прочности покрытия и требования
к приводу как по динамическому диапазону, так и по его силовым свойствам.
При этом также снизится емкость и стоимость привода, мощность и стоимость
управляющей аппаратуры и, соответственно, стоимость системы в целом.
Частота следования импульсов в современных МЛУ невелика — один—два
выстрела в смену. В перспективе при коммерческом получении термоядерной
электроэнергии она должна быть увеличена до 10—15 выстрелов в секунду.
На установке NIF после выстрела слэбы остывают до нужной кондиции от 4
до 8 часов [32]. На рис. 1.5 приведена хронограмма подготовки к выстрелу для
установки LMJ (один выстрел за ~ 3 часа). После включения обратной связи
в системе управления волновым фронтом примерно за полчаса перед выстре-
лом производится коррекция статических аберраций волнового фронта к пло-
скому и начинается юстировка системы. На рисунке показано, что за время
юстировки производится три сеанса подстройки ВФ, то есть процессы юсти-
ровки и коррекции ВФ согласованы. За пять минут до выстрела в режиме
замкнутой обратной связи также за три итерации производят предустановку
термоиндуцированной аберрации. Для записи формы волнового фронта не-
посредственно перед выстрелом обратная связь размыкается и перед датчиком
волнового фронта устанавливается ослабитель излучения. В это время система
должна поддерживать предустановленную форму волнового фронта (которая,
как будет видно дальше, довольно далека от плоскости). Измерение волново-
го фронта производится после ламповой накачки слэбов в момент выстрела.
При идеальной коррекции форма волнового фронта должна быть плоской.
Рис. 1.5. Хронограмма
подготовки к выстрелу
Предкоррек-
ция волново-
го фронта
Измерение
волнового фронта
Время
(нелинейная шкала)
Аберрации
в последнем
пространствен-
ном фильтре
Юстировка
лазера
Замкнутый контур
Опорный 0
Замкнутый контур
Опорный –Δϕпн
Т = –30 мин. Т = –5 мин. Т = 0
Δϕпн
Δϕизм
0
ВФ во время
выстрела = 0
Накачка
слэбов
Выстрел
Вкратце рассмотрим примеры применения адаптивных систем в ИМЛУ,
реализованные на практике в составе установки «Луч» [27].
Схема расположения элементов адаптивной системы с малым дефор-
мируемым зеркалом в составе установки «Луч» представлена на рис. 1.6.
Импульс лазерного излучения СФОИ падает на деформируемое зеркало 1.
Часть излучения с помощью пластины 2 и зеркала 3 направляется на вход-
ной ДВФ 4. Прошедшее через пластину 2 излучение направляется в сторо-
ну многопроходного усилительного тракта. После последнего прохода через
усилители излучение выводится из ТПФ. Малая доля излучения с помощью
пластины 2 и зеркала 3 направляется на выходной ДВФ 5.
Далее будет показано, что наиболее сбалансированным вариантом с точ-
ки зрения угловой селекции и коррекции излучения по всему усилительному
тракту, а также предъявляемых к адаптивному зеркалу требований (лучевая
прочность покрытия, динамический диапазон и силовые свойства привода)
является установка зеркала в усилительном тракте так, чтобы излучение от-
ражалось от него дважды — после первого и третьего проходов. Схема рас-
положения элементов широкоапертурной адаптивной системы в составе
установки «ЛУЧ» представлена на рис. 1.7.
При работе по обеим схемам (рис. 1.6 и 1.7) во время подготовки к выстре-
лу с помощью выходного ДВФ анализируется волновой фронт юстировочно-
го лазера на выходе и регистрируются статические аберрации усилительного
тракта. Деформируемое зеркало изгибается таким образом, чтобы волновой
фронт на выходе стал плоским.
Непосредственно перед выстрелом деформируемое зеркало вносит
«предыскажения», обратные по знаку ожидаемым «тепловым» аберрациям,
и выходной ДВФ конфигурируется для измерения импульсного волново-
го фронта. Измеренные ошибки волнового фронта импульсного излучения
дают дополнительную информацию для коррекции «предыскажений» в сле-
дующем выстреле.
На рис. 1.8 приведены фотография и схема расположения управляющих
элементов малого биморфного пьезоэлектрического деформируемого зеркала.
Световая апертура зеркала — круг диаметром 52 мм, коэффициент отра-
жения на длине волны 1,053 мкм — 99 %, количество управляющих элемен-
тов — 21, расположение управляющих элементов — осесимметричное, чув-
ПФ
ПФ
У
реверсер
1
У
от СФОИ
2
3 4 5 3
2
на камеру
взаимодействия
Рис. 1.6. Схема адаптивной системы с малым деформируемым зеркалом в со-
ставе установки «Луч»: 1 — малое деформируемое зеркало; 2 — пласти-
ны, отводящие излучение на ДВФ; 3 — зеркала; 4 — входной ДВФ; 5 —
выходной ДВФ. СФОИ — система формирования опорного импульса;
ПФ — пространственные фильтры; У — усилители
ствительность управляющих элементов — 15 мкм/кВ, электромеханический
гистерезис — ~ 15 %, управляющие напряжения — ±300 В, максимальная ло-
кальная деформация — 5 мкм.
На рис. 1.9 приведены фотография и схема расположения управляющих
элементов широкоапертурного деформируемого зеркала на пьезоэлектриче-
ских толкателях.
Световая апертура зеркала — 220×220 мм, коэффициент отражения
на длине волны 1,053 мкм — 99 %, количество управляющих элементов —
61, расположение управляющих элементов — шахматное, чувствительность
управляющих элементов — 100 мкм/кВ, электромеханический гистерезис -
~ 15 %, управляющие напряжения — 0—120 В, максимальная локальная де-
формация — 12 мкм.
На установке Beamlet при коррекции ВФ деформируемым зеркалом с раз-
мерами 70 × 70 мм и имеющем 39 приводов (расположенных аналогично ДЗ
NIF), размещенном на входе в силовой канал на первой гармонике достига-
лась расходимость (2,3—2,46) · 10–5 рад по уровню 80 % энергии при дифрак-
ционной расходимости ~ 5 · 10–6 рад [36]. Целевая расходимость излучения
установки NIF после силового канала на первой гармонике составляла пять
дифракционных пределов при специфицированной мощности 18,75 кДж [46].
В заключение следует обратить внимание на то, что адаптивная систе-
ма в ИМЛУ (система управления волновым фронтом) имеет более широкие
функции, нежели чем коррекция волнового фронта. Ее элементы использу-
Рис. 1.7. Схема широкоапертурной адаптивной системы в составе установки
«Луч»: 1 — широкоапертурное деформируемое зеркало; 2 — пласти-
на, отводящая излучение на ДВФ; 3 — поворотное зеркало; 4 — ДВФ.
СФОИ — система формирования опорного импульса; ПФ — про-
странственные фильтры; У — усилители
ПФ
ПФ
У
реверсер
У
от СФОИ
4 3
2
на камеру
взаимодействия
1
а б
Рис. 1.8. Малое деформируемое зеркало: а — фотография; б — схема располо-
жения управляющих элементов
1
12
11
10 21
20
19
18
17
15 16
14
13
3
4
5 6
7
8
2 9
1
1.2. Источники искажений волнового фронта излучения в мощных 21
твердотельных импульсных лазерах
ются также для целей юстировки (центрирования и наведения) и документи-
рования экспериментальной информации. Подробнее об этом сказано в сле-
дующих главах.
быстро скачущую лошадь, если
он идет в верном направлении.
ФРЭНСИС БЭКОН
Предисловие
Вопросам лазерного термоядерного синтеза посвящено огромное количе-
ство публикаций. Познакомиться с введением в проблему можно, например,
по известной книге «Управляемый лазерный синтез» [1], тематическим сбор-
никам статей [2, 3] и другим изданиям.
В получении термоядерной энергии существуют три проблемы: вырабо-
тать нужное количество энергии для организации процесса ядерного синте-
за, организовать эту энергию для осуществления этого процесса и органи-
зовать отвод полученной энергии. И если первую проблему по рукотворной
выработке нужного количества энергии для целей термоядерного синтеза
можно считать решенной, то вторая задача на сегодня решена лишь в при-
роде (например, Солнце) и в виде термоядерного взрыва (то есть в неуправ-
ляемом виде). Одним из путей рукотворного получения сверхкритических
давлений и температур для реализации реакции слияния является инерци-
альный термоядерный синтез с применением лазерной энергии. Уникальные
свойства когерентного света теоретически позволяют реализовать управляе-
мую термоядерную реакцию [4]. Для этих целей разрабатываются и созданы
импульсные мощные лазерные установки, которые дают достаточное коли-
чество энергии для поджига мишени. Основная проблема в настоящее время
заключается в равномерном подводе этой энергии к поверхности мишени,
чтобы организовать равномерное ее сжатие, то есть в точном и прецизионном
наведении лучей многих лазеров на мишень [5].
Создание отечественной лазерной установки мегаджоулевого уровня
УФЛ-2М начинается существенно позже ее американского (установка NIF —
National Ignition Facility) и французского (LMJ — Laser MegaJoule) аналогов.
На вопрос «Есть ли отставание в отечественном развитии этого направления»
нет однозначного ответа. Установки такого класса планируется использовать
для получения систематических знаний о свойствах и поведении различных
материалов при параметрах, реализующихся в термоядерных реакциях. Аме-
риканские специалисты считают, что установка NIF должна дать такие зна-
ния на 50 лет вперед при 30-летнем времени ее жизни. Кроме того, на этих
установках проверяются технические решения, позволяющие перебросить
мостик к установке следующего поколения — прототипу термоядерного ре-
актора. Уже сейчас видны технические решения установок NIF и LMJ, кото-
рые были чрезвычайно затратны при создании и которые трудно применить
при реализации установок с частотой 10—15 выстрелов в секунду. Это, пре-
жде всего, системы автоюстировки по световым маркерам и электромехани-
ческий привод французских деформируемых зеркал. И, наконец, за время
создания установок подобного класса (10—15 лет) наблюдается существен-
ный прогресс в других, инфраструктурных областях техники. Начинающий
позже пользуется этими достижениями, например, в вычислительной техни-
ке, электронике, микрооптике и т. д.
Настоящая книга посвящена рассмотрению использования методов
и средств адаптивной оптики в системе управления волновым фронтом и ав-
томатизированной юстировки импульсных мощных лазерных установок.
Автор будет благодарен специалистам, нашедшим время для ознакомле-
ния с книгой и приславшим свои замечания или уточнения.
___________________________________
1. Бракнер К., Джорна С. Управляемый лазерный синтез. — М.: Атомиздат,
1977. — 144 с.
2. Лазеры и термоядерная проблема. Сб. статей. — М.: Атомиздат, 1973. —
216 с.
3. Проблемы лазерного термоядерного синтеза. Сб. статей. — М.: Атомиздат,
1976. — 296 с.
4. Басов Н. Г., Крохин О. Н. Условия разогрева плазмы излучением оптиче-
ского генератора. ЖЭТФ, т. 46, № 1, 1964, с. 171—175.
5. Moses E. I. The National Ignition Facility and the Promise of Inertial Fusion Energy.
LLNL-CONF-464130, 2010, 8p.
Введение
В последние пятнадцать лет в мире постоянно расширяется фронт работ
по созданию импульсных мощных лазерных установок (ИМЛУ) мегаджоуле-
вого уровня, при фокусировке излучения которых достигаются фантастиче-
ские плотности мощности и, как следствие, параметры, при которых протека-
ют термоядерные реакции. Возможность изучения поведения вещества в этих
условиях не только создает предпосылки для получения фундаментальных
знаний об устройстве Вселенной, но и способствует созданию новых техно-
логий. Так, успехи в создании ИМЛУ создают предпосылки для реализации
управляемой реакции термоядерного синтеза. Проводимые в программах LIFE
(США) и HiPER (Великобритания, международный проект) исследования по-
казывают, что можно существенно развить полученные при создании устано-
вок NIF (США) и LMJ (Франция) достижения и перейти к коммерческому ис-
пользованию подобных установок [1, 2, 4]. По заявлению директора установки
NIF Е. Мозеса уже в 2012 году ожидается «поджиг» термоядерной мишени [3]
(эксперименты по усилению были запланированы ранее на 2010—2011 годы).
Создание лазерных установок мегаджоулевого класса является своеобразным
индикатором уровня научного и технологического развития страны.
Каждый класс лазерных установок имеет свою специфику, равно как
и адаптивная оптика для этих систем, позволяющая существенно уменьшить
расходимость излучения и улучшить его спектральные характеристики. Ис-
пользуемые во всех ИМЛУ адаптивные системы позволяют в десятки раз уве-
личить плотность мощности на мишени, поэтому можно утверждать, что тех-
нология управления параметрами излучения является ключевой технологией
в подобных установках. Система управления волновым фронтом ИМЛУ от-
личается от традиционной адаптивной оптической системы более широкими
функциями. Управление параметрами излучения включает в себя управление
волновым фронтом, фильтрацию излучения, наведение и фокусировку его
на мишени. В настоящей работе рассмотрение ограничивается лишь силовым
каналом, имея в виду, что на входе и выходе из него должен быть отцентриро-
ванный пучок с плоским волновым фронтом.
Эффекты, связанные с фазовыми искажениями вследствие разогрева
оптических элементов в импульсных лазерах (например фемтосекундных),
становятся заметными с уровня энергии ~ 100 мДж, а при энергии силового ка-
нала ~ 1 кДж они являются определяющими даже для наносекундных систем.
ИМЛУ являются настолько благодатным объектом для применения адаптив-
ной оптики, что применение ее практически в любом виде дает эффект, часто
очень сильный. Когда речь идет о небольших энергиях и сравнительно неболь-
ших фазовых искажениях, то систему коррекции, по-видимому, целесообразно
устанавливать за силовым каналом. Если же энергия и, как следствие, фазовые
искажения существенно возрастают, а вместе с ними неравномерности профи-
ля интенсивности, то коррекцию фазы вкупе с пространственной фильтрацией
фазовых искажений целесообразно осуществить в силовом канале — резона-
торе — и пространственных фильтрах. В настоящей работе рассматриваются
только внутрирезонаторные системы.
В книге сделана попытка обобщения накопленного опыта по технологии
управления параметрами излучения в ИМЛУ и рассмотрения возможностей
более широкого применения в них достижений адаптивной оптики. Обоб-
щение строится на структурном анализе пространственного распределения
фазовых искажений, и задача достижения высокого качества излучения ста-
вится как задача пространственной фильтрации излучения. Именно поэтому
первая и наиболее обширная глава посвящена анализу фазовых искажений
и постановке проблемы управления параметрами излучения в ИМЛУ. Вто-
рая глава освещает устройство системы управления волновым фронтом и ее
элементов. Ключевым звеном в этой системе является деформируемое зер-
кало, детальному рассмотрению которого посвящена третья глава. Вопросам
юстировки силового канала и его элементов посвящена четвертая глава, в ко-
торой также рассмотрена возможность более широкого применения средств
и методов адаптивной оптики в задаче управления параметрами излучения.
Но наибольшее внимание в работе уделено двум аспектам: аберрационному
анализу излучения импульсных МЛУ и созданию деформируемых зеркал
для коррекции волнового фронта излучения. Детальное изучение излучения
МЛУ позволяет сформулировать требования к элементам и к собственно си-
стеме управления волновым фронтом. Деформируемые зеркала должны быть
высокоточными, стабильными и работать в уникальных условиях — при вы-
соких потоках энергии в сильных электромагнитных полях.
Освещение основных технических решений при создании элементной
базы адаптивной оптики для ИМЛУ сделано в историческом разрезе. Ли-
тературные источники отражают основные этапы разработки (в основном
установки NIF, на лицевой стороне обложки приведен общий вид второго
лазерного отсека установки NIF): 1) идеологические наработки основных
концептуальных решений (соответствуют этапам технического предложе-
ния и эскизного проекта) были сделаны на основе предыдущего почти трид-
цатилетнего опыта и современных для начала 90-х годов прошлого столетия
решений. Концептуальный проект установки NIF был выполнен в 1994 году
[7]; 2) результаты расчетно-экспериментальной проверки основных техниче-
ских решений отражены в литературе 1997—2000 годов; 3) результаты созда-
ния и испытаний опытного образца установки NIF (узел из восьми каналов)
освещены в серии публикаций 2004—2006 годов. 4) Более поздние публи-
кации относились к освещению текущего статуса создания и осмыслению
перспектив развития. 5) После пуска установки в 2009 году в основном сооб-
щается об очередных достижениях, но, вместе с тем, по результатам доводки
установки в процессе эксплуатации в 2010—11 годах опубликован ряд работ,
нашедших отражение в книге.
Следует обратить внимание на то, что во второй половине первого деся-
тилетия в США стартовала программа LIFE (Laser Inertial Fusion Energy), на-
правленная на создание лазерной термоядерной электростанции. В 2009—2011
годах опубликованы основные технические решения для прототипа лазерной
установки такой электростанции [1, 3, 4]. Они основаны на достижениях, по-
лученных в процессе создания установки NIF, и исследованиях, проведен-
ных на лазерной установке «Меркурий» (Mercury), и используют достигнутый
уровень материалов и технологий, ориентированы на современную произ-
водственную базу и оптимизированы по прогнозируемой стоимости элек-
троэнергии. Лазерная установка LIFE power plant (см. рис. на задней обложке)
содержит 384 силовых канала модульного типа, которые должны изготавли-
ваться в заводских условиях и транспортироваться к месту сборки. Каналы
собираются в узлы по восемь штук (аналогично NIF), которые располагаются
веером на разных уровнях вокруг мишенной камеры. Отработанные на лазере
«Меркурий» решения — диодная накачка активной среды и газовое (гелий)
охлаждение слэбов, позволяют повысить электро-оптический КПД до 18 %,
сильно уменьшить общие габариты установки и довести ее скорострельность
до 10—15 выстрелов в секунду. Скорострельность определяет новые требова-
ния к используемой в такой системе адаптивной оптике [5]. В качестве актив-
ной среды выбрано неодимовое стекло. Размер световой апертуры составляет
270 × 270 мм. Энергия на третьей гармонике должна быть более 2 МДж в им-
пульсе продолжительностью в несколько наносекунд. При коэффициенте
энергетического усиления 64 такая установка становится конкурентноспо-
собной по сравнению с традиционными источниками получения электроэ-
нергии. Создание установки ориентировано на частный бизнес, и на сегодня
в США уже насчитывается более 30 основных поставщиков, в числе которых
такие фирмы, как Дженерал Атомик (General Atomic) и другие. Капитальные
затраты создания пилотной электростанции оцениваются в четыре милли-
арда американских долларов [10]. Планируемый срок создания демонстраци-
онного прототипа — 2020 год, коммерческое использование предполагается
начать с 2030 года. Установка NIF должна обеспечить научный базис для раз-
работки термоядерных станций на первое время как минимум на 50 лет.
Написание настоящей книги стимулировано двумя событиями: 1) при-
нятием решения о создании в России ИМЛУ мегаджоулевого уровня УФЛ-
2М [6] и 2) серией сообщений о проектных решениях лазерной термоядерной
электростанции LIFE Power Plant (США) [1]. При создании больших устано-
вок возникает два аспекта: 1) так как создание идет длительное время, необхо-
димо обучать людей; 2) так как проектирование занимает ограниченное вре-
мя, чрезвычайно актуальным становится обмен информацией на всех этапах,
особенно вначале. По мнению автора, необходимо обобщить накопленный
опыт, зафиксировать уровень на начало реализации подобного мегапроекта.
Написание подобной книги преследует и определенные учебные цели. Соз-
дание установки NIF заняло около пятнадцати лет, и в этом процессе было
задействовано около трех тысяч человек на постоянной основе и постоянно
привлекались более семи тысяч человек, так что одновременно в процес-
се создания участвовало более 10 тысяч человек. Поставки в интересах NIF
осуществлялись с более чем 3000 предприятий из 47 штатов США [1]. Такие
масштабы требуют соответствующей подготовки кадров. Кроме того, автор
надеется, что книга будет полезна и для специалистов в смежных областях.
Структура книги сознательно выбрана открытой, каждая глава являет-
ся самостоятельной и может быть дополнена и исправлена без существенной
переработки остального текста, исходя из двух соображений. Во-первых,
для того, чтобы читатель мог выборочно ознакомиться с тем, что его инте-
ресует. Во-вторых, для того, чтобы была возможность расширять эти главы
по мере накопления опыта создания и эксплуатации адаптивных оптических
систем в ИМЛУ, то есть такой стиль объясняется существенной динамикой
развития данной области. Материал носит в основном описательный и ана-
литический характер. Математический аппарат в книге используется лишь
там, где нужно проиллюстрировать обоснованность или эффективность тех
или иных технических решений. Обилие приводимых цифр позволит лучше
почувствовать рассматриваемую проблему, книга сознательно перегружена
различными оценками.
Накопленный опыт разбросан по различным публикациям, в основном
англоязычным, зачастую труднодоступным для российского читателя. Так как
описываемая технология имеет передовой, инновационный и прорывной ха-
рактер, то многие вопросы умышленно остаются за кадром и без полной кар-
тины непонятно, почему отданы предпочтения тем или иным решениям. Автор
надеется, что настоящая книга послужит не только введением в предмет, но и
своеобразным началом координат, точкой отсчета, позволяющими проследить
за динамичными изменениями в этой области.
Несмотря на популярный стиль изложения, желательно, чтобы читатель
имел общее представление об импульсных твердотельных лазерах и основах
адаптивной оптики. Эти сведения можно почерпнуть, например, в книгах
[8, 9].
Изложенные материалы неоднократно обсуждались на совещаниях раз-
личного уровня, начиная с семинара лаборатории адаптивной оптики в ФГУП
«НИИ НПО «ЛУЧ» и заканчивая различными международными конферен-
циями («Оптика лазеров», Харитоновские чтения, «Оптика атмосферы и океа-
на»). Автор благодарен сотрудникам ФГУП «НИИ НПО «ЛУЧ» и Института
лазерно-физических исследований ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» за помощь, ока-
занную при подготовке материалов для данной книги.
___________________________________
1. https://life.llnl.gov.
2. www.hiper-laser.org.
3. Moses E. I. The National Ignition Facility and the Promise of Inertial Fusion Energy.
LLNL-CONF-464130, 2010. — 8 p.
4. Stolz C. J. The National Ignition Facility: The Path to a Carbon-Free Energy Future.
LLNL-PROG-474593, 2011. — 17 p.
5. Andreev N. E., Buchenkov V. Y., Charuktchev A. V. et al., Prospects of International
Cooperation in Ultra-High Intensity Lasers for Civil Application within the
Frame of the ISTC Activities. Sarov, RFNC-VNIIEF, 2010 — 76 p.
6. ЯОК ждет стабильное будущее. Страна РОСАТОМ, № 06 (51), февраль
2012, с. 1, 7.
7. Paisner J. A., Cambell E. M., Hogan W. J. The National Ignition Facility Project.
UCRL-JC-117397 Rev 1, 1994. — 15 p.
8. Мак А. А. и др. Лазеры на неодимовом стекле. — М.: Наука, 1990. — 287 с.
9. Тараненко В. Г., Шанин О. И. Адаптивная оптика в приборах и устрой-
ствах. М.: ФГУП «ЦНИИАТОМИНФОРМ», 2005. — 416 с.
10. Hand E. Laser fusion nears crucial milestone. Nature, 483, March 2012, p. 133—134.
Глава 1.
Анализ фазовых искажений импульсной МЛУ с адаптивной оптической
системой.
Создание масштабных объектов новой техники целесообразно начинать
с обобщения накопленного в данном направлении опыта. В настоящей рабо-
те сделана такая попытка в отношении адаптивных систем для импульсных
мощных лазерных установок (ИМЛУ) мегаджоулевого уровня. Действитель-
но, в настоящее время уже созданы и эксплуатируются как прототипы, так
и собственно ИМЛУ. В их составе используется адаптивная оптика, позво-
ляющая существенно уменьшить расходимость излучения и улучшить его
спектральные характеристики. Накоплен значительный опыт проектирова-
ния и эксплуатации таких адаптивных систем.
Вместе с тем эту проблему нельзя считать решенной до конца. Если про-
блемы наведения и фокусировки энергии можно считать решенными, то про-
блема обеспечения равномерной засветки поверхности мишени еще далека
до своего завершения. Наверняка и в решении этой проблемы адаптивная
оптика займет свое достойное место.
В современной литературе по адаптивной оптике есть лишь небольшие
замечания по поводу систем коррекции волнового фронта импульсных МЛУ.
Для этого есть несколько причин. Во-первых, для традиционной адаптив-
ной оптики, которая ушла далеко вперед по пространственному разрешению
и быстродействию (существуют системы, содержащие сотни и тысячи при-
водов и работающие с килогерцовым быстродействием), квазистатические
системы импульсных МЛУ казались архаикой, не представляющей проблем.
Во-вторых, это впечатление усилилось, когда в системах начали использовать
дешевые биморфные зеркала, так как эффект от использования таких систем
был мгновенным и довольно ощутимым, а затраты ничтожны.
По мере повышения мощности импульсных МЛУ возросли размер световой
апертуры и масштаб фазовых аберраций. Но особое значение приобрел пере-
ход к многопроходности и многоканальности систем. Во-первых, должно быть
повышено быстродействие систем управления волновым фронтом. Во-вторых,
особое внимание должно уделяться точности и стабильности этой системы.
При переходе к МЛУ импульсно-периодического действия, а именно такие
установки необходимы для реализации коммерческого термоядерного синте-
за (см., например, проект HiPER [28]) с частотой следования импульсов 10—15
импульсов в секунду, системы коррекции волнового фронта должны обладать
довольно высоким быстродействием и работать в условиях периодического от-
ключения с частотой следования импульсов. Кажущаяся простота на первом
этапе реализации в перспективе может превратиться в серьезную проблему.
В связи с устойчивой тенденцией к переходу к зеркалам с дискретным приводом
(установки LIL, LMJ, «Луч») биморфные зеркала рассматриваются здесь лишь
в историческом аспекте. Подробнее об этом можно узнать из работ [29, 30].
Адаптивная оптика в ИМЛУ применяется в двух взаимно связанных си-
стемах: системе наведения и системе управления волновым фронтом. Эти си-
стемы служат главной цели ИМЛУ — концентрации энергии на мишени.
В настоящей главе приводится детальный анализ фазовых искажений
волнового фронта лазерного излучения ИМЛУ. Подход к их компенсации ба-
зируется на пространственной фильтрации излучения.
1.1. Краткие сведения об импульсных МЛУ и адаптивных системах для них
Во всем мире созданы и создаются лазерные установки нового поколения
с мегаджоульным уровнем энергии: NIF (США), LMJ (Франция), HiPER (Ве-
ликобритания), Shenguang IV (Китай), УФЛ-2М (Россия) и др. Для отработки
основных технических решений, используемых при создании полномасштаб-
ных установок NIF, LMJ и УФЛ-2М, были построены прототипы — установ-
ки Beamlet, LIL и «Луч» соответственно [1—6, 51]. Некоторые характеристи-
ки этих установок приведены в табл. 1.1. Следует обратить особое внимание
на разрабатываемый прототип термоядерной электростанции LIFE (Laser
Inertial Fusion Energy) Power Plant (США) [45].
В настоящей работе сделана попытка обобщения накопленного миро-
вого опыта и анализа на примере адаптивной оптики, созданной для уста-
новки «Луч», рассматриваются проблемы применения адаптивных систем
в импульсных мощных лазерных установках (ИМЛУ). Сразу же подчеркнем
разницу с традиционными адаптивными системами, которая заключается
в том, что система управления волновым фронтом выполняет более широ-
кие функции и в режиме замкнутого контура работает лишь частично (более
подробно об этом будет сказано ниже).
На рис. 1.1 приведена оптическая схема установки «Луч» [7]. Излучение
из системы формирования опорного излучения (СФОИ предназначена для:
1) формирования спектральных, угловых, пространственных и временных
характеристик пучка; 2) деления пучка на 4 и 3) запитки входным сигналом
силовых усилительных каскадов) попадает в усилители 1 и 2 (усиление энер-
гии лазерного импульса от ~ 0,2 Дж на входе до ~ 3,7 кДж на выходе), отража-
Таблица 1.1. Сведения о различных импульсных мощных лазерных установках
№ Установка, страна Технические характеристики 1-ый вы-
стрел
1 National Ignition Facility
(NIF), США, 2012 — User
Facility
1,053 мкм, 4,2 МДж, 1,8 МДж + (3ω),
20 нс, 192 канала, 372 × 372 мм, цен-
тральная схема зажигания 9,6 кДж
с канала на 3ω
2009 —
1,2 МДж1
2012 —
Q = 1
1а Beamlet laser, США 4 (1) канала, 300 × 300 мм 1994
2 LIFE Power Plant, США 1,053 мкм, 2 МДж на 3ω, 3 нс, 10—15
выстрелов в секунду, 384 канала,
270 × 270 мм, коэффициент усиления —
64, ЭОКПД — 18 %
2020
3 Laser MegaJoule (LMJ),
Франция
1,053 мкм, 2 МДж + (3ω), 3 нс, 240 (174)
каналов, 360 × 370 мм, центральная, 600
выстрелов в год
2012
(2014) год
3а Laser Integration Line
(LIL), Франция
0,35 мкм, 1—9,5 кДж с канала, 0,3—
25 нс, 4 канала
2004 год
4 Fast Ignition Realization
Experiment (FIREX-II),
Япония
Сжатие — 0,35 мкм, 50 кДж, 3 нс;
Зажигание — 50 кДж, 10 пс, быстрая
схема зажигания
2017 год
4а FIREX-I: 1) Лазер для
сжатия GEKKO XII;
2) Лазер для зажигания
LFEX
4 канала, быстрая, 1,053 мкм, 10 кДж,
(2ω), 2 нс, 325 × 325 мм
1,053 мкм, 10 кДж, (2ω), 1—10 пс,
325 × 325 мм
2008 год
5 SG-III, Китай 0,35 мкм, 150 кДж, (3ω), 3 нс, 64 канала,
центральная и быстрая схемы зажигания
2010 год
5а SG-II, Китай 1,053 мкм, 6 кДж или 3 кДж (3ω), 1 нс, 8
каналов, ф200 мм
5б SG-IIU, Китай 18 кДж (3ω), 3 нс 2007 год
5в (SG-III prototype), Китай 8 каналов, 3 нс, 15 кДж (2ω) 2005 год
6 (SG-IV), Китай 1 МДж, центральная или быстрая 2020 год
7 High Power laser Energy
Research facility (HiPER),
ЕС (Англия)
Сжатие — 1,053 мкм, 200 кДж, 10 нс,
60 каналов, 360 × 370 мм; зажигание —
100 кДж, 10 пс, 2ω, быстрая, 1, 5—15
выстрелов в с
2020 год
8 УФЛ-2М, Россия 1,053 мкм, 2,8 МДж, (2ω), 3 нс, 192
канала, 400 × 400 мм, центральная схема
зажигания, 1 выстрел в смену , 2-я гар-
моника
2020 год
8а «Луч», Россия 1,053 мкм, 3,3 кДж/канал, 4 нс, 4 кана-
ла, 200 × 200 мм, 2 выстрела в смену
2004 год
1 15 марта 2012 года в мишенной камере установки NIF зарегистрирована энер-
гия 1,875 МДж на длине волны третьей гармоники, полученная из 192 каналов. К сле-
дующему выстрелу лазер был готов через 36 часов после рекордного.
1.1. Краткие сведения об импульсных МЛУ и адаптивных системах для них 15
ется от торцевого зеркала, проходит обратно через транспортный простран-
ственный фильтр с реверсером (ТПФ предназначен для ввода излучения
в 4-проходную усилительную систему и вывода излучения после четвертого
прохода), отражается от зеркала реверсера, совершает 3-й и 4-й проходы че-
рез усилительные каскады и выводится через ТПФ.
Деформируемое зеркало может быть размещено в различных местах схе-
мы: на входе и выходе, посередине за 2-м усилителем, на месте зеркала ревер-
сера. Также могут быть использованы различные комбинации из двух зеркал.
В качестве примеров на рис. 1.2а—в приведены архитектуры четырехпро-
ходных силовых каналов различных установок (NIF, LMJ, УФЛ-2М, Beamlet,
LIL и др.). Как видно, они очень похожи друг на друга, хотя и имеют отличия.
В силовом канале установки NIF (рис. 1.2а, 3) излучение четыре раза прохо-
Рис. 1.1. Оптическая схема лазерной установки «Луч»
КПФ
Л1 Л2
Л3
Л7
ТПФ
Л5 (f = 7 м)
Л4 (f = 11 м) Л8 (f = 11 м)
Л6 (f = 7 м)
Система формирования опорного излучения
В камеру взаимодействия
Дисковый
усилитель 2
Дисковый
усилитель 1
Преобразователь
излучения в 3-ю
гармонику
Реверсер (200х200) мм
Рис. 1.2. Четырехпроходная архитектура силовых каналов мощных импульс-
ных лазерных установок: а) NIF; опорные источники для центровки
расположены за деформируемым зеркалом (LM1) и зеркалом LM3;
б) LIL, LMJ, HiPER; в) УФЛ-2М
а
б в
Деформируемое
зеркало
Деформируемое
зеркало LM1
Зеркало
LM2
Выходной
датчик От лазера
впрыска
LM3
Кюветный
пространственный
фильтр
Кюветный
пространственный
фильтр
Транспортный
пространственный
фильтр
Ответвитель
диагностического
излучения
Транспортный
пространственный
фильтр
Ячейка Поккельса
с плазменными
электродами
Ячейка
Поккельса
и поляризатор
Транспортные
зеркала
Кассета
слэбов
Усилитель 2
Усилитель 1
К мишенной
камере
К мишенной
камере
Основной
усилитель
Опорный источник
для центровки Опорный
источник для
центровки Усилитель
мощности
М1
М2
ЯП
КПФ
ТПФ
Впрыск
Реверс
L-Turn или реверсер
Усилители
М1
М2
Впрыск
дит через основной усилитель и лишь дважды — через дополнительный уси-
литель [14]. Приведенная на схеме ячейка Поккельса и поляризатор служат
своеобразным затвором, блокируя одно из зеркал резонатора и открывая его
на момент выстрела. Транспортный пространственный фильтр имеет всего
два отверстия, через одно из которых опорное излучение входит в систему,
а через второе выходит мощное излучение. Длина кюветного пространствен-
ного фильтра установки NIF составляет 23,5 м (соответственно заднее фо-
кусное расстояние линз равно 11,75 м), а транспортного пространственного
фильтра — 30 м (15 м — заднее фокусное расстояние линз). Поверхность линз
пространственных фильтров имеет сложную форму для фокусировки из-
лучения квадратного профиля [47]. Силовые каналы установок LIL и LMJ
(рис. 1.2б, 3) имеют два усилителя, и излучение четыре раза проходит через
них, и транспортный пространственный фильтр имеет уже четыре отверстия.
Интуитивно понятно, что система наведения в этом случае должна быть бо-
лее точной, чем в схеме установки NIF. Аналогичная архитектура принята
и для силового канала установки HiPER [31]. На рис. 1.2в приведена объем-
ная иллюстрация силового канала установки УФЛ-2М, откуда видно, что она
схожа с архитектурой установки LMJ.
На рис. 1.3 приведены две различные реализации оптической схемы че-
тырехпроходного усилителя.
На рис. 1.4 приведен более детальный вариант оптической схемы уста-
новки УФЛ-2М, откуда можно видеть, что длина только силового канала со-
ставляет ~ 130 м.
Излучение из системы формирования излучения заводится в транс-
портный пространственный фильтр (ТПФ), после 1-го прохода отражается
от широкоапертурного ДЗ, после 2-го прохода через линзу вводится в ячейку
Поккельса (ЯП), после 3-го прохода второй раз отражается от широкоапер-
турного ДЗ и после 4-го прохода направляется на мишень.
Из приведенных примеров видно обилие оптических элементов в схемах
и сложность этих схем. Теоретически можно стремиться к созданию идеаль-
ных (в смысле отсутствия аберраций) оптических трактов, но это, во-первых,
не обеспечивается имеющимися технологиями, а во-вторых, чрезвычай-
но дорого. Поэтому во всех мощных импульсных лазерах для компенсации
Рис. 1.3. Различные реализации оптической схемы четырехпроходного уси-
лителя: верхняя реализована на LIL/LMJ (четыре прохода через оба
усилителя), нижняя — на NIF (два прохода через усилитель мощно-
сти и четыре прохода через основной усилитель)
Поляризатор
Поляризатор
Пинхол
Пинхол
Транспортный
усилитель
Усилитель
мощности
Кюветный
усилитель
Кюветный
усилитель
Пинхол
Реверсер
Впрыск
Впрыск
Пинхол
ДЗ
ЯП
ЯП
ДЗ
L1
L1
L2
L2
L3
L3
М2
М3
L4
L4
фазовых аберраций волнового фронта излучения применяются адаптивные
оптические системы. Как правило, это системы фазового сопряжения, рабо-
тающие по смешанному алгоритму: при коррекции статических аберраций
в активном режиме, а при коррекции термоиндуцированных или тепловых
аберраций — в режиме предустановки нужной формы поверхности дефор-
мируемого зеркала. Впрочем, нетрудно представить активный режим работы
системы вплоть до выстрела, если в систему в качестве минимизируемой це-
левой функции будет введено среднеквадратичное отклонение от заданной
виртуальной формы поверхности. Классическая адаптивная оптическая си-
стема фазового сопряжения содержит датчик волнового фронта (ДВФ), аппа-
ратуру управления и адаптивное или деформируемое зеркало (АЗ или ДЗ).
Требования к ДВФ для прямого управления деформируемым зеркалом
по измеренному волновому фронту и управлению с обратной связью суще-
ственно различны. В первом случае мы должны иметь ДВФ с достаточно боль-
шим динамическим диапазоном, тогда как во втором случае ДВФ вырабаты-
вает лишь сигнал ошибки (в идеале нулевой) и требования по динамическому
диапазону к нему существенно ниже, но появляются требования по линейно-
сти, точности и постоянной времени для устойчивой работы контура управле-
ния. Последнее несколько смягчается, так как контур управления может быть
достаточно медленным. В связи с этим целесообразно использовать в схеме
один ДВФ с большим динамическим диапазоном для измерения суммарных
аберраций волнового фронта излучения на выходе излучения из канала. Де-
формируемое же зеркало может быть размещено в различных местах оптиче-
ского тракта — от места выхода излучения из системы формирования излу-
чения (входа в силовой канал) до места выхода излучения из канала. Можно
также представить систему с двумя зеркалами, расположенными в различных
местах оптического тракта (например, как это показано на рис. 1.4).
Размещение зеркала на входе или выходе оптического тракта является
крайним случаем с точки зрения предъявления требований к зеркалу. В первом
случае затруднительно реализовать достаточное пространственное разреше-
Рис. 1.4. Вариант оптической схемы силового канала установки УФЛ-2М
Финальный
оптический
модуль
Длина силового канала — 128 м
Евх.рев. = 200 Дж, Qзерк реа = 10 Дж/см2
Габаритный размер слэба 808,5×458×41 мм
Световой размер 434×760 мм
Ввод
излучения
370×370 мм
416×416 мм 413×413 мм
390×390 мм
50 м
15 м 18,731 м КПФ ТПФ
2,5 м
7,2 м
70 мм
70 мм
35 мм
35 мм
8,8 м
5,6 м
7,731 м
7,2 м
10 Дж/см2
3,46 м
150 мм
30 мм
Расстояние от края зеркала
до пучка 4-го прохода – 22 мм
45 мм
64 мм
85 мм
14,231 м 10 м 10 м 30 м 30 м
397,8×724,6 мм 396,5×722,3 мм
ние на апертуре 50 × 50 мм (шаг между приводами должен быть не более 3,5 мм)
и затрудняется угловая селекция на первых проходах излучения в усилителе.
Во втором случае необходима высокая лучевая стойкость (гарантированный
запас по лучевой прочности должен превышать плотность выходной энергии
(10 Дж/см2) в 1,5—2 раза [8]) широкоапертурного (~580 × 420 мм) зеркала и его
большой динамический диапазон, а также ухудшается угловая селекция на по-
следних двух проходах. Установка в тракте двух деформируемых зеркал может
несколько снизить требования к каждому из зеркал, но удвоит количество эле-
ментов адаптивной оптической системы. При размещении зеркала за усили-
телем У2 излучение отражается от него дважды — после 1-го и 3-го проходов.
Очевидно, этот вариант наиболее сбалансирован с точки зрения как угловой
селекции и коррекции излучения по всему оптическому тракту, так и предъяв-
ляемых к зеркалу требований. Кроме того, установка зеркала за усилителем У2
позволяет снизить требования по лучевой прочности покрытия и требования
к приводу как по динамическому диапазону, так и по его силовым свойствам.
При этом также снизится емкость и стоимость привода, мощность и стоимость
управляющей аппаратуры и, соответственно, стоимость системы в целом.
Частота следования импульсов в современных МЛУ невелика — один—два
выстрела в смену. В перспективе при коммерческом получении термоядерной
электроэнергии она должна быть увеличена до 10—15 выстрелов в секунду.
На установке NIF после выстрела слэбы остывают до нужной кондиции от 4
до 8 часов [32]. На рис. 1.5 приведена хронограмма подготовки к выстрелу для
установки LMJ (один выстрел за ~ 3 часа). После включения обратной связи
в системе управления волновым фронтом примерно за полчаса перед выстре-
лом производится коррекция статических аберраций волнового фронта к пло-
скому и начинается юстировка системы. На рисунке показано, что за время
юстировки производится три сеанса подстройки ВФ, то есть процессы юсти-
ровки и коррекции ВФ согласованы. За пять минут до выстрела в режиме
замкнутой обратной связи также за три итерации производят предустановку
термоиндуцированной аберрации. Для записи формы волнового фронта не-
посредственно перед выстрелом обратная связь размыкается и перед датчиком
волнового фронта устанавливается ослабитель излучения. В это время система
должна поддерживать предустановленную форму волнового фронта (которая,
как будет видно дальше, довольно далека от плоскости). Измерение волново-
го фронта производится после ламповой накачки слэбов в момент выстрела.
При идеальной коррекции форма волнового фронта должна быть плоской.
Рис. 1.5. Хронограмма
подготовки к выстрелу
Предкоррек-
ция волново-
го фронта
Измерение
волнового фронта
Время
(нелинейная шкала)
Аберрации
в последнем
пространствен-
ном фильтре
Юстировка
лазера
Замкнутый контур
Опорный 0
Замкнутый контур
Опорный –Δϕпн
Т = –30 мин. Т = –5 мин. Т = 0
Δϕпн
Δϕизм
0
ВФ во время
выстрела = 0
Накачка
слэбов
Выстрел
Вкратце рассмотрим примеры применения адаптивных систем в ИМЛУ,
реализованные на практике в составе установки «Луч» [27].
Схема расположения элементов адаптивной системы с малым дефор-
мируемым зеркалом в составе установки «Луч» представлена на рис. 1.6.
Импульс лазерного излучения СФОИ падает на деформируемое зеркало 1.
Часть излучения с помощью пластины 2 и зеркала 3 направляется на вход-
ной ДВФ 4. Прошедшее через пластину 2 излучение направляется в сторо-
ну многопроходного усилительного тракта. После последнего прохода через
усилители излучение выводится из ТПФ. Малая доля излучения с помощью
пластины 2 и зеркала 3 направляется на выходной ДВФ 5.
Далее будет показано, что наиболее сбалансированным вариантом с точ-
ки зрения угловой селекции и коррекции излучения по всему усилительному
тракту, а также предъявляемых к адаптивному зеркалу требований (лучевая
прочность покрытия, динамический диапазон и силовые свойства привода)
является установка зеркала в усилительном тракте так, чтобы излучение от-
ражалось от него дважды — после первого и третьего проходов. Схема рас-
положения элементов широкоапертурной адаптивной системы в составе
установки «ЛУЧ» представлена на рис. 1.7.
При работе по обеим схемам (рис. 1.6 и 1.7) во время подготовки к выстре-
лу с помощью выходного ДВФ анализируется волновой фронт юстировочно-
го лазера на выходе и регистрируются статические аберрации усилительного
тракта. Деформируемое зеркало изгибается таким образом, чтобы волновой
фронт на выходе стал плоским.
Непосредственно перед выстрелом деформируемое зеркало вносит
«предыскажения», обратные по знаку ожидаемым «тепловым» аберрациям,
и выходной ДВФ конфигурируется для измерения импульсного волново-
го фронта. Измеренные ошибки волнового фронта импульсного излучения
дают дополнительную информацию для коррекции «предыскажений» в сле-
дующем выстреле.
На рис. 1.8 приведены фотография и схема расположения управляющих
элементов малого биморфного пьезоэлектрического деформируемого зеркала.
Световая апертура зеркала — круг диаметром 52 мм, коэффициент отра-
жения на длине волны 1,053 мкм — 99 %, количество управляющих элемен-
тов — 21, расположение управляющих элементов — осесимметричное, чув-
ПФ
ПФ
У
реверсер
1
У
от СФОИ
2
3 4 5 3
2
на камеру
взаимодействия
Рис. 1.6. Схема адаптивной системы с малым деформируемым зеркалом в со-
ставе установки «Луч»: 1 — малое деформируемое зеркало; 2 — пласти-
ны, отводящие излучение на ДВФ; 3 — зеркала; 4 — входной ДВФ; 5 —
выходной ДВФ. СФОИ — система формирования опорного импульса;
ПФ — пространственные фильтры; У — усилители
ствительность управляющих элементов — 15 мкм/кВ, электромеханический
гистерезис — ~ 15 %, управляющие напряжения — ±300 В, максимальная ло-
кальная деформация — 5 мкм.
На рис. 1.9 приведены фотография и схема расположения управляющих
элементов широкоапертурного деформируемого зеркала на пьезоэлектриче-
ских толкателях.
Световая апертура зеркала — 220×220 мм, коэффициент отражения
на длине волны 1,053 мкм — 99 %, количество управляющих элементов —
61, расположение управляющих элементов — шахматное, чувствительность
управляющих элементов — 100 мкм/кВ, электромеханический гистерезис -
~ 15 %, управляющие напряжения — 0—120 В, максимальная локальная де-
формация — 12 мкм.
На установке Beamlet при коррекции ВФ деформируемым зеркалом с раз-
мерами 70 × 70 мм и имеющем 39 приводов (расположенных аналогично ДЗ
NIF), размещенном на входе в силовой канал на первой гармонике достига-
лась расходимость (2,3—2,46) · 10–5 рад по уровню 80 % энергии при дифрак-
ционной расходимости ~ 5 · 10–6 рад [36]. Целевая расходимость излучения
установки NIF после силового канала на первой гармонике составляла пять
дифракционных пределов при специфицированной мощности 18,75 кДж [46].
В заключение следует обратить внимание на то, что адаптивная систе-
ма в ИМЛУ (система управления волновым фронтом) имеет более широкие
функции, нежели чем коррекция волнового фронта. Ее элементы использу-
Рис. 1.7. Схема широкоапертурной адаптивной системы в составе установки
«Луч»: 1 — широкоапертурное деформируемое зеркало; 2 — пласти-
на, отводящая излучение на ДВФ; 3 — поворотное зеркало; 4 — ДВФ.
СФОИ — система формирования опорного импульса; ПФ — про-
странственные фильтры; У — усилители
ПФ
ПФ
У
реверсер
У
от СФОИ
4 3
2
на камеру
взаимодействия
1
а б
Рис. 1.8. Малое деформируемое зеркало: а — фотография; б — схема располо-
жения управляющих элементов
1
12
11
10 21
20
19
18
17
15 16
14
13
3
4
5 6
7
8
2 9
1
1.2. Источники искажений волнового фронта излучения в мощных 21
твердотельных импульсных лазерах
ются также для целей юстировки (центрирования и наведения) и документи-
рования экспериментальной информации. Подробнее об этом сказано в сле-
дующих главах.