高功率激光装置是一个复杂的有源巨型光学工程，其性能指标要求逼近科学技术与物理极限。驱动器研制有物理设计、工程光学和结构工程设计三大过程，工程光学在其中起着重要作用。高功率激光装置工程光学设计需遵循其特有的设计原则和要点，以保证装置的高性能。根据驱动器设计指标和设计特点，从总体光学设计、光束质量控制以及光束打靶精度控制方面，综述了高功率激光装置工程光学设计中的关键科学技术问题以及相应解决方法，为未来高功率激光驱动器的发展提供必要的工程设计参考。

为了实现惯性约束聚变(ICF)靶丸几何尺寸的高精度、高效率检测, 开展了靶丸X射线数字化成像系统的设计与研制。首先, 分析了X射线直接投影成像和X射线透镜耦合显微成像的适用范围, 根据ICF靶丸尺寸小、吸收衬度弱的特点, 确定了基于X射线透镜耦合显微成像的技术路线。然后, 分析了影响系统成像分辨率、图像衬度和测量效率的关键因素, 确定了低几何放大成像, 低电压、小焦点、高功率X射线源及高分辨CCD探测的总体技术方案, 该方案能够有效抑制相衬效应和半影误差, 解决了现有X射线数字成像设备测量靶丸时边缘扩展严重、尺寸测量误差大的问题。最后, 对系统的性能进行了分析测试, 实验结果表明, 系统成像衬度良好, 成像效率较高, 分辨率优于0.5 μm。靶丸几何尺寸的测量不确定度可达0.9 μm(k=2), 满足ICF靶丸几何尺寸高精度、高效率的检测需求。

针对激光聚变靶丸内表面轮廓高精度无损测量的迫切需求, 研制了一套激光聚变靶丸内表面轮廓测量系统。该系统通过最小二乘算法(LSC)计算出靶丸回转偏心量, 并利用偏心调整台对靶丸偏心进行自动快速调整; 然后, 系统软件控制气浮回转轴承驱动靶丸旋转, 利用激光差动共焦传感器(LDCS)轴向响应曲线过零点及光线追迹算法精确计算出靶丸内表面轮廓上每个采样点的几何位置; 最后, 对靶丸内轮廓测量数据进行LSC评定得到其圆度信息。实验证明, 靶丸回转偏心的自动调整时间可达22 s, 当采样点分别为1 024, 2 048及4 096时, 靶丸内轮廓测量时间分别可达10, 20及40 s, 且圆度测量标准差可达19 nm(1 024点)。该系统实现了靶丸回转偏心的自动快速调整及其内轮廓的高精度、无损、快速、自动测量。

聚α-甲基苯乙烯(PAMS)是制备激光惯性约束聚变(ICF)用靶丸的重要芯轴材料之一。采用快速热解气相色谱-质谱法(Py-GC-MS)和热重分析技术(TG/DTG)分析了不同分子量PAMS的热降解产物和热降解温度, 并通过Arrhenius方程计算了不同分子量PAMS的等温热降解活化能。结果表明: 分子量对PAMS热降解产物的影响可忽略不计, 其热降解产物均为α甲基苯乙烯单体, 且产率均接近100%; 热降解温度随PAMS分子量的增加而降低, 其热降解温度介于240~450 ℃之间; 在相同降解率下, 随分子量的减小, PAMS的热降解活化能增加, 且PAMS的热降解活化能随着热降解率的增加而增加。

惯性约束聚变(ICF)微靶(靶丸)是惯性约束聚变物理设计思想的直接体现, 其制备过程有着非常明显的特点: 精确度要求高；工件尺度小且跨度大；面向的材料范围广；靶型多, 批量小, 且数量多；结构形状复杂且多种多样；传统方式制备工艺繁琐且制备周期长。利用先进信息技术建立完备的数字化微靶制备能力, 解决关键工艺数据流程和精确度控制技术问题, 是提高微靶质量和效率的重要手段。本文通过描述数字化靶制备系统的设计目标和思想, 重点阐述了系统的制造过程和体系结构设计、技术特点、实现方法以及实施和部署方式, 并在此基础上, 展示了系统成功实施后的部分运行效果与良好的应用前景。

研制了一款新型磁聚焦成像电子束时间展宽分幅相机，研究了其空间分辨率与磁聚焦透镜数目及电流间的关系，实验结果表明：采用三个磁聚焦透镜且电流适合时，相机的空间分辨率最高；离轴越远，空间分辨率越低。研究了相机的空间分辨率与电压间的关系，发现空间分辨率随着阴栅极间电压的增大而提高。该新型分幅相机成像面为一个曲面，整个阴极面不能同时清晰成像。采用电子束时间展宽技术后，该新型分幅相机的时间分辨率提高至11 ps；当成像倍率为2∶1时，相机的静态空间分辨率为5 lp·mm-1。

椭圆弯晶谱仪具有测谱宽度大, 能谱分辨力高等特点, 并在"神光II"激光惯性约束聚变实验研究中得到了很好的应用。利用X射线衍射仪铜(Cu)靶 X射线管作为X射线线光源, 选取合适厚度滤片, 抑制Cu-Kβ 线及韧致辐射, 测量了Cu-K α能点处二氧化硅石英椭圆弯晶的积分衍射效率和摆动曲线半高全宽, 并开展了针对上述两个重要参数随晶体弯曲曲率半径改变的测试验证, 预估了能谱分辨力。结果表明, 椭圆弯晶的积分衍射效率和摆动曲线半高全宽对晶体弯曲半径改变敏感, 通过提高晶体弯曲度可增强晶体"镶嵌"效果。该结果可为下一步优化设计多用途性椭圆弯晶谱仪, 以及完善X射线光谱定量化测量提供了数据支撑。

为了确定一个KDP晶体支撑系统的合理工作姿态, 研究了工作姿态对支撑系统变形、KDP晶体偏转和激光束入射角的影响。首先, 提出了关键刚度分量的概念, 并采用这一概念对不同工作姿态时支撑系统在重力作用下的变形进行了理论分析。其次, 采用有限元方法计算了重力作用下支撑系统的变形, 以及由此引起KDP晶体的偏转和激光束入射角的变化。最后, 对不同工作姿态时支撑系统的变形、KDP晶体的偏转和激光束入射角的变化进行比较, 并分析了关键刚度分量的影响。数值计算结果表明, 受关键刚度分量的影响, 不同工作姿态下支撑系统的变形、引起KDP晶体的偏转和激光束入射角的变化不同。支撑系统为最优工作姿态时, 激光束入射角的变化达到最小值76 μrad。这一结果满足KDP晶体支撑系工作姿态确定的相关要求。

Dense Z-pinch plasmas are powerful and energy-efficient laboratory sources of X-rays, and show the possibility to drive inertial confinement fusion (ICF). Recent advances in wire-array Z-pinch and Z-pinch dynamic hohlraum (ZPDH) researches at the Institute of Applied Physics and Computational Mathematics are presented in this paper. Models are setup to study different physical processes. A full circuit model (FCM) was used to study the coupling between Z-pinch implosion and generator discharge. A mass injection model with azimuthal modulation was setup to simulate the wire-array plasma initiation, and the two-dimensional MHD code MARED was developed to investigate the Z-pinch implosion, MRT instability, stagnation and radiation. Implosions of nested and quasi-spherical wire arrays were also investigated theoretically and numerically. Key processes of ZPDH, such as the arrayefoam interaction, formation of the hohlraum radiation, as well as the following capsule ablation and implosion, were analyzed with different radiation magneto-hydrodynamics (RMHD) codes. An integrated 2D RMHD simulation of dynamic hohlraum driven capsule implosion provides us the physical insights of wire-array plasma acceleration, shock generation and propagation, hohlraum formation, radiation ablation, and fuel compression.

介绍了为提高惯性约束聚变(ICF)激光驱动装置的光束质量和输出功率, 我国在神光系列激光装置的建设、运行和性能提升方面开展的工作。综述了我国近年来ICF激光装置用光学元器件的重要研究进展。文中涉及了高纯金属铪和磷酸二氢钾(KDP)等原材料的制备和四大主材(钕玻璃、高纯度KDP、熔石英和KDP/高掺氘KDP(KDP/DKDP晶体)的熔炼、加工和生长。描述了元器件的冷加工(针对钕玻璃、白玻璃、KDP晶体)技术和镀膜技术(针对介质膜和化学膜)。最后, 给出了针对大口径光学元件工序检及终检开展的多项关键检测技术。文中介绍的关键技术与工艺满足了绝大部分光学元器件的需求, 显著提升了光学元器件的研发和生产能力。