考虑到空间滤波器系统在激光装置中的稳定性要求，分析了影响稳定性的各种因素。对现行装置中的SF4空间滤波器系统进行振动模态测试，初步确定系统的工作状况，并结合振动理论明确系统稳定性的设计参数。利用有限元软件ANSYS对空间滤波器系统及相关的设计进行仿真验证计算。结果表明：SF4系统的一阶固有频率达到83Hz，与实验结果相符合，满足系统稳定性的要求；在系统中引入支撑不但能有效增加系统的刚度，同时能转移系统的振型；系统基础支撑平台的选择要求平台独立，并且选择较低的高度以便于控制上层光学元件的变形。

 

2008年，神光Ⅱ第九路通过验收，第九路的输出能力为：

 

基频4.5kJ/3ns，300J/100ps

二倍频和三倍频效率>50%

四倍频200J/3ns或0.2J/80ps

 

安放第九路激光器的实验大厅于2003年开始基建施工，2004年交付使用。2004年5月开始第九路器件的进场和安装调试，2005年5月起投入试运行，至2008年1月，器件配合物理实验发射大能量近800发次，既考核了器件的运行能力，又较好地满足了物理实验的需求。2008年1月完成了全部8类16项指标的验收测试，测试结果表明第九路研制项目全面达到设计要求，并于10月通过了由中国科学院、中国工程物理研究院、国家高技术860-804专题专家组联合组织的验收。第九路的建成不仅满足了当前我国惯性约束聚变研究需求，也大大地促进了我国高功率激光技术的发展，为下一步建造更大规模的高功率激光器积累了有益的经验。

 

2008.设计高功率激光装置靶场终端光学组件(FOA)时考虑的重要因素是鬼像对光学元件的破坏。由于神光Ⅱ升级装置(SG-Ⅱ-U)的输出能量高、靶场空间小、鬼像分布情况复杂，导致了终端光学组件的设计难度很高。用自主研发的鬼像控制设计软件对神光Ⅱ升级装置靶场终端光学组件排布进行设计，给出了进行鬼像控制设计时需考虑的设计因素，并对比研究了两种靶场终端光学组件设计方案的优缺点，最后结合神光Ⅱ升级装置的特点，优化设计出神光Ⅱ升级装置靶场终端光学组件的最终排布方案。

 

2011年1月24日，中科院计划财务局会同大装置办组织专家对神光II装置承担的“空调系统更新”、“能源系统改造”和“靶场系统改造”三个重大维修改造项目进行验收。院计划财务局潘峰副局长、上海光机所陈卫标副所长、大装置办罗小安处长、验收专家组和装置的相关人员参加了验收会。

 

实验室主任朱健强分别对三个项目向验收专家组做了总结报告。专家们仔细询问了相关情况，考察了装置的维修改造情况，查阅了课题组的实验记录和测试报告。验收组分别就技术、财务和档案对项目进行了分项验收，经过认真的讨论，一致同意项目通过验收。

 

在中科院计划财务局大力支持下，神光II装置对能源系统、空调净化系统、靶场系统等方面进行了维修改造。维改项目的成功实施为神光II装置的稳定、安全、可靠运行提供了有效保障。

 

近年来，神光Ⅱ装置的年打靶发次和运行成功率均得到显著提高，稳定运行指标达到国际先进水平。神光II装置已发展成为我国为数不多的高功率激光物理重要实验平台，为我国惯性约束聚变事业和相关基础科研做出了重要贡献。

 

2011年5月17－18日，中国科学院计划财务局会同高技术研究与发展局组织专家对神光Ⅱ高功率激光实验装置（简称神光II）2010年运行经费的决算情况及2011年运行计划和经费预算进行了实地审核。审核组由上海应用物理研究所、高能物理研究所、中国科技大学等单位的相关专家组成，院计划财务局潘锋副局长、基地处罗小安处长、高技术研究与发展局光电空间处肖伟刚等参加会议。

 

专家组首先听取了神光Ⅱ运行负责人朱宝强研究员关于运行与经费情况的汇报。在审阅了相关报告及资料并进行现场考察后，与会专家一致认为：神光II装置在2010年度超额完成了运行计划，保证了实验打靶任务的顺利实施，2011年度神光II运行计划制定合理。

 

潘锋副局长现场考察了神光II装置的部分备品备件库房，并在会议总结中指出，神光Ⅱ高功率激光实验装置多年的稳定运行在解决国家战略安全、能源战略需求等方面起到了至关重要的作用，希望进一步加强装置的开放利用，多出高水平的科研成果，提高经费使用效率。

 

2012年8月17日，中科院计划财务局组织专家对神光II装置承担的“神光Ⅱ装置物理实验所需配套常规诊断设备的研制”和“神光II光束控制和参数测量分系统改造”两个维修改造项目进行验收。中科院计划财务局潘锋副局长、上海光机所祝如荣副所长、联合实验室朱健强主任、验收专家组和装置的相关人员参加了验收会。

 

联合实验室主任助理朱宝强研究员分别对两个项目向验收专家组做了总结报告，专家们仔细询问了相关情况，考察了装置的维修改造情况，查阅了课题组的实验记录和测试报告。验收组分别就工艺、设备、财务和档案对项目进行了分项验收，经过认真的讨论，一致同意项目通过验收。

 

在中科院计划财务局大力支持下，通过“神光Ⅱ装置物理实验所需配套常规诊断设备的研制”项目的实施，神光II装置配备了一系列基本的常规诊断仪器设备，基本满足国内外科研机构利用神光装置开展高能密度物理等相关科学领域广泛的实验研究需求，具备了向用户开放的基本能力，提升了该装置与国内外用户的实质性合作与成果创新能力。

 

通过“神光II光束控制和参数测量分系统改造”项目的实施，神光II装置建立了集中控制系统，建成中央控制室和万兆级局域，测量和准直分系统实现了远程集中控制功能。根据一年多的运行统计，控制类故障率由原来的20%减少到了3%，大能量准备时间少于15分钟。

 

两个维改项目的成功实施为神光II装置的稳定、安全、可靠运行提供了有效保障，为我国惯性约束聚变事业和相关基础科研做出了重要贡献。

 

二、科研成果

 

神光Ⅱ装置实现了我国激光惯性约束聚变历史上质量和水平的质的跨跃。装置建成至今提供正式物理实验打靶3000余发次，在腔靶物理、辐射输运、内爆动力学、状态方程和X光激光等方面的研究中，获得了有重要意义的成果，保证了我国激光聚变多项重大物理目标的实现，为我国激光聚变研究和国防科研做出了突出贡献。

 

 

神光Ⅱ靶室

装置由激光器系统、光路自动准直系统、精密靶场系统、激光参数测量系统、激光储能供电系统、精密装校及环境保障系统等组成。它是数百台套单元和组件的集成，并在空间立体排布成8条激光放大链，每条激光放大链终端输出口径为Φ240mm，8束基频激光输出能量总和逾6kJ/1ns，最高输出功率达到1013W，三倍频效率大于50%。

 

装置是当时国内规模最大的激光聚变实验装置。该装置技术先进、工程复杂、综合性能优良。它的建成填补了国内若干激光高技术的空白，达到国际先进水平，标志着我国在这一领域的高新技术综合能力上了一个新台阶。

 

2003年，亚皮秒超短脉冲两路激光系统：

 

两路装置，从建成以来5年多的时间内，平均每年提供实验500发左右，总共提供了2600多发的物理实验。是我国第一台成功研制并投入运行的大能量皮秒激光装置。

 

整个系统由长短脉冲两路激光组成，亚皮秒超短脉冲输出最大能量~20J，焦斑尺寸20微米，靶面聚焦功率密度2×1018W/cm2；近纳秒长脉冲能量最大20J。皮秒激光聚焦辐照平面CD靶获得了2×104中子。利用装置同步的长短脉冲激光，还开展了X射线激光、超强超短脉冲激光产生高能电子束的特性等有意义的物理实验。

 

该装置是国内第一台大能量超短脉冲激光系统，在我国高能量密度物理研究和皮秒高功率激光技术研究方面起了重要的作用。

 

 

亚皮秒超短脉冲两路激光系统

2008年9月16日至29日，由中、日、韩三方八个研究单位组成的联合实验小组在神光Ⅱ装置(八路加第九路)上成功进行了无碰撞冲击波实验。

 

无碰撞冲击波是天体物理中非常重要的现象之一，在对超新星爆发过程的观测中，多次记录到了无碰撞冲击波的产生，并且观测到大量的高能宇宙射线和高能离子。这中间的过程复杂，包括大量的不稳定性存在，因此一直是天体物理研究的热点之一，以往科学家们只能被动地在天空中观测到这种现象。

 

此次联合实验小组进行的一轮无碰撞冲击波实验，是在神光Ⅱ装置上模拟无碰撞冲击波过程，实验人员对感兴趣的部分进行操控，观测实验现象，从而验证天体物理对超新星爆发过程中无碰撞冲击波的产生机制的推论，并对伴随其产生的高能宇宙射线及高能粒子的加速过程取得更深的了解。

 

该物理实验对装置有许多特殊要求，对装置运行是一次严峻的考验。在联合实验室科研人员的努力下，神光装置在条件多变的情况下激光输出保持稳定可靠状态。中外联合实验小组在神光Ⅱ装置上拍出了满意的图片，得到了实验预想的结果。实验取得成功后，中外联合实验小组认为神光Ⅱ装置与曾使用过的英国卢瑟福实验室的Valcun装置、日本大阪大学Gekko-Ⅻ装置相比，其输出的激光质量达到国际先进水平，而在靶场服务、神光第九路探针光模式多样性方面，达到国际领先水平。

 

同时，联合实验小组也就增强完善装置辅助性设施，增强开放性、探索性、研究性实验，以及用户管理措施时等提出了建设性意见，以期在神光Ⅱ装置平台上取得更多世界一流研究成果。

 

近日获悉，该实验物理成果在NewJournalofPhysics（XLiuetal2011NewJ.Phys.13093001）上发表后，被NaturePhotonics（DavidPile.2011NaturePhotonics5，644，该刊影响因子为26.508)在ResearchHighlights中重点推介。该报道以Collisionlessshockwaves为标题，称研究小组使用上海神光Ⅱ激光装置演示相向传播但可以无碰撞自由相互穿行的实验。

 

2009年，中科院物理所、中科院国家天文台和中物院激光核聚变中心等单位在神光Ⅱ装置上开展的一轮实验中，巧妙地构造了激光等离子体磁重联拓扑结构。实验观测到了与太阳耀斑中环顶x射线源极为相似的结果。通过磁流体标度变换理论分析，发现两个系统的各项物理参数是惊人的相似。业内人士对本项工作给出了高度的评价，称：“如果在实验室和太阳耀斑中观测到的物理过程一致并且数据测量准确，那么这项工作将是伟大的发现，并且开辟了实验室天体物理研究的最新领域。”

 

目前，神光Ⅱ装置已高质量稳定运行近十年，取得了一系列丰硕的成果。在保证国家运行任务的同时，加强了装置的开放度，提升了我国基础前沿研究水平和自主创新能力。特别是近两年来，利用神光Ⅱ装置输出的高功率激光，在实验室中创造与天体现象相似的极端物理条件为科学家们在实验室中对天体问题进行主动、近距、可控的研究提供了新思路和新方法，给天体物理研究带来了新的空间和新的方法。

 

2010年4至5月，在神光Ⅱ装置第九路及神光ⅡX射线激光靶室实施了升级装置FOA首件验证实验，共打靶33发次，第九路系统输出的基频激光能量为1000J到4500J，激光脉冲宽度为3ns。对终端光学组件进行了色分离效果、穿孔效率、三倍频转换效率、BSG能量采样元件破坏、气溶胶成分成因及影响、靶场损耗和剩余光吸收等多项测试，获得了若干有实用价值的较好结果。

 

终端光学组件(FinalOpticsAssembly：FOA)是高功率激光最重要、最复杂的光学组件之一。该组件集真空密封、谐波转换、谐波分离、激光聚焦、焦斑控制和激光参数采样等功能于一体，包括了窗口玻璃、倍频晶体、聚焦透镜、楔形板、衍射光学元件和防溅射板等光学元件。它是激光驱动器工程中与各种因素牵连度最高、最复杂的单元器件之一，其工程设计实现难度很高。世界最先进、规模最大的激光装置美国NIF工程花了7年左右时间才实现了FOA系统的基本定型。

 

神光Ⅱ升级装置建成后，其每束激光运行输出能量和能量密度应为3000J/3ns/3ω0，激光在3ω0输出位置~3J/cm2，为中等通量密度水平。围绕工程目标，为保证在中等通量情况下安全、稳定运行，神光升级工程FOA的设计需突破原有的设计思路。从2008年初开始，FOA项目组在神光Ⅱ装置升级工程总体技术组的组织协调下联合国内科技攻关团队，对FOA开展了第一阶段的攻关工作。

 

攻关项目组针对杂散光的管理、FOA光学排布设计冗余度模拟计算、气溶胶的管理控制与排除等工作难点，展开了深入细致的研究工作，制定了十余款安全措施以保证FOA安全工作。实验过程中，FOA组件实现3J/cm2以上三倍频激光输出通量14发，其中3ω激光输出通量最高为3.6J/cm2，相应三倍频激光输出转换效率最高约为70%。更重要的是，攻关项目组从FOA攻关工作前期就意识到了FOA气室中气溶胶及其它有关的问题，并在本轮实验中从多方面确证了FOA低压气室中在激光打靶瞬间产生了二十万级颗粒度极为有害的气溶胶环境，并且严重污染了FOA光学元件通光表面。实验首次揭示了气溶胶颗粒在FOA元件表面沉积所产生的破坏极可能是FOA元件首次遭到损伤的最重要原因。实验中以3ω0/3ns、3.6J/cm2最高能通量密度0°入射的会聚光穿过27DL小孔(500μm小孔)的过孔率为97%，过孔能量为2300J，获得了较为满意的结果。项目组目前正在研究并采取更有力的措施，梳导和排除气溶胶，从而在多层面意义上全面提升FOA光学元件的抗激光损伤能力。

 

实验结果表明FOA光路全系统冗余度数值模拟设计，合理精密装校，为强化FOA的高质量传输功能和聚焦穿孔能力奠定了基础；FOA首件验证的穿孔实验还具有初步总体验证的意义，将为升级装置达标奠定前期实验基础。

 

通过本次实验，项目组检验了第一阶段的工作，同时积累了实验数据，对FOA的工作也有了新的更深层次的理解，将为即将开展的第二阶段攻关工作提供有益的指导。

 

在2010年10月13日，年度中科院大科学装置运行年会上，神光Ⅱ装置报送的“利用神光Ⅱ装置强激光模拟太阳耀斑中环顶x射线源和重联喷流获得成功”的成果获大装置2009年度开放研究成果奖，这也是神光Ⅱ装置连续第二年获得此项奖励。本次年会上共有13个装置25项成果参与奖项评选，经专家组评审后，神光装置的实验成果名列第三。

 

2011年，中科院国家天文台赵刚研究组、中科院物理所李玉同研究组与上海交通大学张杰研究组以及其他合作者在神光Ⅱ高功率激光实验装置上联合完成了利用强激光成功模拟太阳耀斑中的环顶X射线源和重联喷流。他们的工作证明了利用高功率激光，在实验室中创造与天体现象相似的极端物理条件为科学家们在实验室中对天体问题进行主动、近距、可控的研究提供了新思路和新方法，给天体物理研究带来了新的空间和新的方法。

 

太阳耀斑是离人类最近的天体剧烈释能现象之一，人们普遍认为其能量来源于太阳磁场，而磁重联是主要的释能通道之一。这一认识的直接证据是在太阳耀斑中观测到的环顶X射线源和重联喷流。由于天文观测本身的局限性，目前对这些现象的解释大多是定性和唯象的。联合研究组利用中科院重大科技基础设施——神光Ⅱ高功率激光实验装置发射的强激光与特殊构型靶相互作用，巧妙地构造了等离子体磁重联拓扑结构，在实验室中对太阳耀斑中的环顶X射线源和重联喷流进行了实验模拟，得到了与太阳表面发生的重联过程极为相似的实验结果，并通过磁流体标度变换理论证明两个系统的各项物理参数有惊人的相似性。

 

2011年9月，神光Ⅱ第九路首次利用其输出的30ps脉宽激光开展物理诊断实验获得成功。采用种子光注入短脉冲后多级扩束放大的方式获得最终输出能量，此种方式必须避免激光装置中光学器件因功率密度过高而导致的破坏，因此对激光装置的运行控制能力提出较高要求。

 

此次实验中，激光放大链路中最高平均功率密度2.8GW/cm2，峰值功率密度接近5GW/cm2。这是国内同类装置首次输出30ps的脉冲激光开展运行打靶实验，该实验的成功完成标志着神光Ⅱ装置的输出性能有了进一步的提升，同时也拓展神光II装置的功能和实验能力。