【摘要】：激光聚變能源研究是人類探索新能源的前沿領(lǐng)域,也是徹底擺脫能源短缺,發(fā)展安全、無碳、可持續(xù)理想能源的希望所在。由于聚變能源應(yīng)用對激光驅(qū)動器高效、高重復(fù)頻率的需求,基于激光二極管泵浦的高能高平均功率固體激光器受到人們的廣泛關(guān)注,并成為未來商用激光聚變能源驅(qū)動器有力的候選方案之一。然而,其核心單元放大器中的放大自發(fā)輻射和熱效應(yīng),以及放大系統(tǒng)的總體技術(shù)方案仍是提高裝置能量轉(zhuǎn)換效率和重復(fù)頻率面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。因此,本論文以激光二極管端面泵浦疊片放大器結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),進行了放大器的放大自發(fā)輻射效應(yīng)、熱效應(yīng),以及系統(tǒng)構(gòu)型設(shè)計三個專題的研究,并對激光聚變能源驅(qū)動器進行了初步的概念探索。論文首先基于Yb離子泵浦與放大動力學(xué)理論和Cr4+:YAG飽和吸收方程,利用蒙特卡洛和光線追跡方法,建立了疊片放大器儲能、熱沉積和放大過程的三維數(shù)值模型,對放大器的放大自發(fā)輻射效應(yīng)與控制進行了研究。接著提出了兩種新穎的放大器結(jié)構(gòu)—-漸變摻雜和間隔摻雜疊片放大器,并從增益介質(zhì)的需求、儲能特性、熱沉積、能量輸出等方面揭示了其對ASE效應(yīng)的抑制作用。針對熱效應(yīng)對放大器性能的影響,論文接著開展了疊片放大器熱效應(yīng)及熱管理技術(shù)的研究�；跓嵝�(yīng)的理論基礎(chǔ)和流體-固體共軛傳熱理論模型,在均勻散熱和低溫氦氣冷卻條件下,分別建立了疊片放大器的三維熱力學(xué)有限元模型、熱流固耦合有限元模型,并分別定量給出了放大器對氦氣溫度、換熱系數(shù)、壓強與速度的要求,以便激光片冷卻,控制介質(zhì)中的熱效應(yīng)。此外,還探索了90。石英轉(zhuǎn)子和多層Cr4+:YAG技術(shù)對放大鏈路中熱致雙折射效應(yīng)的補償作用,獲得了非常好的效果。在前兩個專題研究的基礎(chǔ)上,論文最后以聚變能源驅(qū)動器優(yōu)化設(shè)計的受限條件為標(biāo)準(zhǔn),從裝置的放大器單元優(yōu)化和系統(tǒng)構(gòu)型優(yōu)化著手,研究了疊片放大器的定標(biāo)放大能力,并比較分析了LIFE和雙脈沖、雙向傳輸放大構(gòu)型的能流特性,以及后一種構(gòu)型的極限輸出能力。研究表明,雙脈沖、雙向傳輸放大構(gòu)型可在低通量下獲得很高的提取效率,從而減少損傷和非線性效應(yīng),也放松了對預(yù)放的要求。
[Abstract]:Laser fusion energy research is not only the frontier of human exploration of new energy, but also the hope of getting rid of the energy shortage, developing safely, carbon-free and sustainable ideal energy. Due to the high efficiency and high repetition rate of laser driver in fusion energy application, high energy and average power solid-state laser pumped by laser diode has been paid more and more attention. And become the future of commercial laser fusion energy driver one of the candidates. However, the amplification of spontaneous emission and thermal effect in the core unit amplifier, as well as the overall technical scheme of the amplifier system, are still the key challenges to improve the energy conversion efficiency and repetition rate of the device. Therefore, based on the structure of laser diode end-pumped laminated amplifier, three topics of amplifying spontaneous emission effect, thermal effect and system configuration design are studied in this paper. The concept of laser fusion energy driver is explored. Firstly, based on the theory of Yb ion pumping and amplification dynamics and Cr4: YAG saturation absorption equation, the three-dimensional numerical model of energy storage, thermal deposition and amplification process of laminated amplifier is established by using Monte Carlo and ray tracing method. The amplified spontaneous emission effect and control of the amplifier are studied. Then, two novel amplifiers are proposed, which are gradually doped and spaced doped laminated amplifiers. The suppression of the ASE effect is revealed from the requirements of gain medium, energy storage characteristics, thermal deposition, energy output and so on. Aiming at the influence of thermal effect on amplifier performance, the thermal effect and thermal management technology of laminated amplifier are studied in this paper. Based on the theoretical basis of thermal effect and the theoretical model of fluid-solid conjugate heat transfer, a three-dimensional thermodynamics finite element model and a thermal-fluid-solid coupling finite element model for laminated amplifiers are established under the condition of uniform heat dissipation and low temperature helium cooling. The requirements of the amplifier for helium temperature, heat transfer coefficient, pressure and velocity are given respectively, in order to cool the laser plate and control the thermal effect in the medium. In addition, 90. 5% was explored. The effect of quartz rotor and multilayer Cr4: YAG on the compensation of thermal birefringence in amplification link is very good. On the basis of the first two topics, based on the limited conditions of the optimal design of fusion energy driver, the calibration amplification ability of the laminated amplifier is studied from the optimization of the amplifier unit and the configuration of the system. The energy flow characteristics of LIFE and double pulses, bidirectional transmission amplification configuration and the limit output capability of the latter configuration are compared and analyzed. It is shown that the double pulse and bidirectional transmission amplification configuration can obtain high extraction efficiency at low flux, thus reducing damage and nonlinear effect, and relaxing the requirement of preamplifier.
【學(xué)位授予單位】：中國工程物理研究院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN722

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本文編號：2362635