目前氙灯泵浦钕玻璃片的口径为400 mm、4×2组合式片状放大器系统广泛应用于ICF研究的高功率激光装置，如美国国家点火装置（NIF）、法国兆焦耳装置（LMJ）与中国的神光系列激光装置等^[1-5]，钕玻璃尺寸为810 mm×460 mm×40 mm，与光束呈布儒斯特角放置，可提供400 mm×400 mm的正方形通光口径。片状放大器常规运行过程中，经放大后通过钕玻璃片的最大激光通量可达到约15 J/cm²（脉宽为数ns），因此钕玻璃片表面洁净度至关重要，否则将引起元件表面损伤^[6]。运行过程中钕玻璃片受到的氙灯光辐照通量约13 J/cm²（脉宽为400～500 μs），因此放大器腔体结构材料表面残余的有机污染物与用于吸收放大自发辐射（ASE） 的钕玻璃片包边的粘接材料等在高强度氙灯光辐照下碳化形成悬浮颗粒（气溶胶），直径为亚μm至μm量级。其中亚μm量级的小的微粒是在氙灯光辐照后很短时间内就形成了，而数μm左右的粒子簇是在氙灯光熄灭后那些较小的颗粒高速碰撞，热气流将较小的气溶胶迅速地混合起来形成较大尺度的颗粒。悬浮颗粒在沉降过程中容易附着在钕玻璃片表面, 强激光通过时将导致片表面损伤^[7-9]。因此研究高功率激光放大器片腔洁净度以及如何快速消除放大器每次工作之后形成的气溶胶, 对激光装置的运行维护以及延长激光增益介质的寿命是至关重要的。

2001年於海武等人利用一台单口径放大器（SSA）开展了相关实验研究，发次运行完成后片腔洁净度通常能达到100000～500000 级气溶胶的水平(在粒子直径≥0. 5 μm 的水平上)^[10]；2012年程晓锋等人利用一组4×2片状放大器开展了实验研究，发次运行完成后腔体内气溶胶维持在5000～10000之间^[11-12]。本文利用一组400 mm口径4×2组合式片状放大器开展了实验研究，经过系列洁净控制措施，片腔内气溶胶颗粒处于300～1000之间，接近美国国家点火装置；发次运行完成后，利用约0.4 m/s的氮氧混合气体进行腔体的吹扫，气溶胶颗粒在2 min内可恢复至0值，预期可大幅降低钕玻璃片在运行过程中损伤的几率。

1.   实验装置

实验装置为一组400 mm口径4×2组合式片状放大器 , 如图1所示。放大器高度方向为四片钕玻璃片叠加，形成四个通光子口径，宽度方向有两个通光子口径，总体形成4×2的通光口径。

图  1  400 mm口径4×2组合式片状放大器示意图

Figure  1.  Schematic diagram of 400 mm aperture 4×2 combined slab amplifier

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钕玻璃尺寸为810 mm×460 mm×40 mm，氙灯从两侧对钕玻璃片进行泵浦，工作电压为31 kV，脉宽450 μs。沿激光方向一个口径内钕玻璃片为未包边的假片，另外一个口径内高度方向其中一束为钕玻璃真片（侧面包边），其余也为假片。灯箱与钕玻璃片之间有隔板玻璃进行隔断。吹扫冷却气体从放大器顶部顶入，自上而下完成吹扫，排气口在放大器底部，在放大器腔体内吹扫气体的断面平均风速为0.2～0.5 m/s可调。在放大器底部通过1个KF16采样孔进行气溶胶浓度的采样测量，测量设备为粒子计数器，该计数器可以以取样方式计量分别大于0.3、0.5、1、2、5、10 μm 粒径或介于它们之间的粒子数。

2.   实验研究结果

为控制放大器腔体内部的洁净度，采取了一系列措施，包括放大器腔体的主体结构选用低碳含量的304不锈钢材料并进行了酸洗处理（表面刻蚀深度约5 μm）与洁净高纯水的喷淋清洗以尽量去除表面有机物、腔体结构上消除了盲孔以避免污染物沉积、对腔体内部焊缝进行了严格检查并消除了焊缝以避免污染物沉积、对腔体内部聚四氟乙烯等有机材料采取了封闭处理以避免氙灯光直接辐照等。同时为验证钕玻璃表面洁净处理工艺以及用于吸收放大自发辐射（ASE） 的钕玻璃片包边的粘接材料等在氙灯辐照下对腔体洁净度的影响，利用了两个独立腔室开展了对比实验，如表1所示。

表  1  真片腔室与假片腔室状态对比

Table  1.  Comparison of real slab chamber and false slab chamber

slab cavity	status of slab	surface cleaning process of slab	status of partition glass
real slab cavity	There are 4 slabs in total, of which 1 is a real one (with edging treatment completed) and 3 are fake ones (without edging treatment).	wiping and cleaning the surface of the real slab and ultrasonic cleaning the fake slabs	The surface of partition glass is coated with a chemical film that can enhance the transmission of xenon light.
fake slab cavity	there are 4 fake slabs in total	ultrasonic cleaning	ordinary glass without chemical film

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在洁净实验室完成集成安装后开展腔体光照清洗，假片腔室与真片腔室气溶胶颗粒数峰值随光照清洗发次变化情况如图2所示。假片腔室与真片腔室在前两发次所产生的气溶胶颗粒数峰值基本相当，其中0.5 μm的颗粒处于40000～50000量级。二者均随发次增加而逐步下降，其中假片片腔下降趋势比较明显，在完成了约30发次光照清洗后0.5 μm的颗粒数下降至3000左右，随发次增加至100 发左右，此时0.5 μm的颗粒数下降至300左右，与NIF的洁净水平接近；真片片腔随发次总体呈下降趋势，但不如假片片腔明显，在完成了约30 发次光照清洗后0.5 μm的颗粒数下降至10000左右，随发次增加至100 发左右，此时0.5 μm的颗粒数下降至1000左右。

图  2  气溶胶颗粒数峰值随光照清洗发次变化情况

Figure  2.  Change of aerosol particle number’s peak value with light cleaning times

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发次运行完成后利用超净气体对片腔开展吹扫，经测试气源中的0.5 μm颗粒为0值。在吹扫条件下片腔内0.5 μm颗粒密度变化情况如图3所示，其中在入口风速为12 m/s（腔室内断面风速平均值约为0.4 m/s）时，片腔内0.5 μm颗粒密度可在2 min内从数千/立方英尺恢复至0值；入口风速降至6 m/s时片腔颗粒恢复时间将额外增加1 min。

图  3  不同吹扫条件下片腔内0.5 μm颗粒密度变化情况

Figure  3.  Variation of 0.5 μm particle density in the cavity under different purging conditions

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3.   分析与讨论

从气溶胶颗粒密度下降趋势看，片状放大器腔体内残余的有机物在经历1～2次强氙灯光辐照后大部分将被分解气化；在对有机材料均采取有效封闭处理后，腔体内气溶胶颗粒密度将随发次逐渐降低，这将有利于装置的长期运行。

从真、假片腔室的对比结果看，用于吸收放大自发辐射( ASE) 的钕玻璃片包边的粘接材料与清洗不彻底是气溶胶密度下降缓慢的主要原因，假片的超声波清洗有效改善了这一情况。

从片腔内气溶胶颗粒密度在吹扫条件下恢复情况看，恢复速度与吹扫气量呈正比关系，快速的洁净恢复将有效避免气溶胶在钕玻璃片表面的附着，从而降低钕玻璃片由于表面污染导致的损伤几率。

4.   结　论

本文中，我们通过一组400 mm口径4×2组合式片状放大器的洁净实验研究，证明了目前所采取的洁净管控措施的有效性，包括放大器腔体的主体结构选用低碳含量的304不锈钢材料与酸洗处理（表面深度刻蚀）、腔体结构上消除了盲孔、对腔体内部焊缝进行了严格检查并消除了焊缝、对腔体内部聚四氟乙烯等有机材料采取了封闭处理等。经100发次左右光照清洗处理，发次运行完成后片腔内气溶胶密度将维持在较低的水平，同时利用超净气体进行吹扫可实现洁净的快速恢复，这将对钕玻璃片形成有效保护，大幅降低由于污染诱导损伤的几率。