基于焦斑空间频率全域优化的偏振匀滑设计

偏振匀滑是利用光束偏振特性降低焦斑对比度的一种技术,它最大可降低焦斑对比度为原来的1/√2. 焦斑的频谱分析显示,传统楔形晶体的偏振匀滑对焦斑对比度的改善只集中在某些特定的空间频率,本文因此提出了一种可全域降低焦斑空间频率的偏振匀滑方法,它采用单轴晶体对入射光的角度不同而产生的相移不同的方法,实现激光两种正交偏振态在靶点的分离. 理论分析和数值模拟表明,新方法可以实现焦斑空间频率中高频段的全频域降低,焦斑对比度也可同时达到1/√2的最大程度的改善. 分析了连续相位板作为新方法引入激光入射角分布不同的条件,确定了刻蚀连续相位板面形的晶体同时实现焦斑整形和偏振匀滑的边界条件. 关键词： 偏振匀滑 焦斑功率谱 响应函数 焦斑整形     

利用晶体相位板同时实现焦斑整形和偏振匀滑

提出了一种新方法, 采用单轴晶体制作相位板, 可同时实现对惯性约束聚变激光驱动器靶点焦斑的整形和偏振匀滑. 采用标量衍射方法分析了晶体相位板的原理, 从焦斑的分布特征出发求解晶体的最佳面形. 在某装置参数条件下, 对晶体相位板的应用效果进行了数值模拟. 结果表明, 在特定的晶体切割角度和面形条件下, 晶体相位板能够对靶点焦斑进行有效的整形和匀滑, 其效果与连续相位板和偏振匀滑晶体的组合相当. 关键词： 相位板 单轴晶体 焦斑整形 偏振匀滑     

激光惯性约束聚变驱动器终端光学系统中束匀滑器件前置的条件研究

对激光惯性约束聚变（ICF）驱动器终端光学系统中连续相位板（CPP）的位置优化进行了研究.根据高强度激光非线性及微扰传输理论计算了CPP前置时激光通过频率转换系统以后的近远场光束特性和系统的三倍频转换效率.研究发现,前置于基频光路的CPP对三倍频转换效率和出射光束特性均有影响,但只要远场圆形焦斑直径小于05 mm,三倍频转换效率的下降与出射光束通量对比度的上升均在容许范围之内,同时远场焦斑形态和能量集中度也符合设计要求.对于实现远场小焦斑匀滑的CPP前置于ICF的基频光路中进行光束匀滑和整形,不会对IC 关键词： 连续相位板 束匀滑元件 惯性约束聚变 光束通量对比度     

基于光克尔效应的径向光束匀滑新方案

针对惯性约束聚变装置中提高靶面辐照均匀性的要求, 提出了一种基于光克尔效应的径向光束匀滑方案, 其基本原理是利用光克尔介质和周期性高斯脉冲光束相互作用实现对激光束透射波前附加周期性的球面位相调制, 以周期性地改变激光束远场焦斑尺寸, 进而引起远场焦斑内部散斑的快速径向扫动, 从而在积分时间内抹平靶面焦斑的强度调制, 实现径向方向的光束匀滑. 通过建立基于光克尔效应的径向光束匀滑的理论模型, 分析了焦斑形态及其径向匀滑特性, 并讨论了光克尔介质的选取和径向扫动特性. 结果表明, 基于光克尔效应的径向光束匀滑方案可以有效地实现远场焦斑内部散斑的周期性径向扫动, 从而在积分时间内快速改善靶面辐照均匀性.     

基于涡旋光束的超快速角向集束匀滑方案

针对惯性约束聚变装置对激光集束辐照均匀性的需求,提出了一种基于涡旋光束的超快速角向匀滑方案,即利用螺旋相位板使2×2集束中的两子束由超高斯光束变换为涡旋光束,而其余两子束不变,进而通过对子束偏振态和中心波长的调控,使集束中的涡旋光束和超高斯光束在靶面两两相干叠加.相干叠加后的焦斑以皮秒量级为周期超快速旋转,从而在极短时间内快速抹平焦斑强度调制,改善靶面辐照均匀性.通过建立基于螺旋相位板的激光超快速角向集束匀滑方案的物理模型,分析了其角向匀滑特性,并与光谱角色散技术和径向匀滑技术进行了比较分析.结果表明,这一新型激光集束匀滑方案能实现对焦斑的超快速角向匀滑,且能在数皮秒时间内达到最佳辐照均匀性.     

黑腔中空间束匀滑光束成丝不稳定性的数值模拟北大核心CSCD

为深入研究黑腔内激光成丝不稳定性产生和发展,建立了空间束匀滑光束的传播模型,利用三维激光等离子体相互作用程序LAP3D模拟了黑腔物理条件下的大尺度成丝现象。模拟结果可正确描述成丝后光强的束发散现象及谱空间光强分布特征。从激光能量参数角度分析了导致成丝不稳定性发展的物理因素,并讨论了应用空间束匀滑技术抑制成丝不稳定性的局限性。研究表明:空间束匀滑光束发展成丝的能力取决于光斑内小焦斑的成丝表现,当具备成丝能力的小焦斑份额达到一定比例后,就会导致整个空间束匀滑光束成丝,因此对于光斑平均功率密度较高的光束,须考虑结合其他束匀滑手段来抑制成丝发展。     

基于束间动态干涉的快速匀滑新方法

针对高功率激光装置中靶面辐照均匀性的高要求,提出了一种利用束间动态干涉改善辐照均匀性的快速匀滑方法.基本原理是利用共轭相位板阵列对存在一定波长差的多束激光附加相位调制,从而使各子束在远场两两相干叠加以产生动态的干涉图样,进而引起焦斑内部散斑的动态扫动,在ps时间内抹平不均匀性.以典型惯性约束聚变装置中的激光集束为例,通过建立基于束间动态干涉的快速匀滑物理模型,定量分析了相位板类型、相位调制幅度和束间波长差等因素对焦斑动态干涉图样的影响及规律,进而对其束匀滑特性进行了讨论.结果表明,基于束间动态干涉的快速匀滑方法可以有效地实现多方向、多维度的焦斑内部散斑快速扫动,且通过与传统束匀滑技术的联用,可以在更短的时间内达到更好的焦斑均匀性.     

连续位相板均方根梯度对焦斑匀滑特性的影响

为满足惯性约束聚变(ICF)系统中,对焦斑均匀辐照的条件,研究了连续位相板(CPP)面形特征对远场光斑质量的影响.从波动光学和几何光学两个不同的角度建立分析模型,并利用均方根梯度这一参数将其统一起来.利用所建立的分析模型,通过数值计算研究了CPP面形均方根梯度对低频畸变光束的匀滑效果.结果表明:随着CPP均方根梯度增大,匀滑后的远场焦斑半径增大;光束顶部不均匀性先很快减小,再缓慢降低,最后趋于不变,可见CPP对光束的匀滑效果明显;束匀滑过程对能量利用率的影响先几乎不变,然后逐渐减小.当CPP的相关长度不变,均方根梯度在0.2-0.8 wave/mm范围内时,光斑尺寸、光束顶部不均匀性及能量利用率都在较好的范围. 关键词： 连续位相板 均方根梯度 光束匀滑 聚焦光斑     

惯性约束聚变驱动器终端束匀滑器件前置时频率转换系统优化研究

在惯性约束聚变驱动器终端光学系统中,束匀滑器件前置有许多优点,但它同时也将对频率转换系统的工作状态产生影响.从系统集成优化的观点研究了这种影响,并基于高强度激光非线性传输理论,采用耦合波方程组及微扰理论,模拟计算了连续相位板前置时基频光束通过频率转换系统的三倍频转换效率及出射光束的近远场分布和焦斑形态,提出了优化倍频晶体失谐角和晶体厚度以减小CPP前置对系统性能的影响.模拟计算了频率转换系统优化前后的三倍频转换效率、光束通量对比度和能量集中度,并进行了对比分析.分析结果表明,频率转换系统的优化对减小CPP 关键词： 惯性约束聚变 频率转换系统 连续相位板 系统集成优化     

采用透镜列阵与光谱色散改善三倍频小焦斑辐照均匀性

通过数值模拟研究了高功率激光驱动器的光束均匀辐照情况, 分析了三倍频激光辐照下小焦斑的光强分布及空间功率谱. 采用透镜列阵可降低光束近场畸变的影响并控制靶面焦斑的包络形状; 采用二维光谱色散匀滑技术可明显地消除焦斑内部大反衬度的强度调制, 且该方法在焦斑非常小的情况下也仍然有效. 大量的数值模拟结果表明, 光谱色散匀滑技术应用于尺寸不同的焦斑时, 其效果是有差异的. 对大焦斑而言, 光谱色散匀滑主要抹平其内部细密的条纹, 即消除中高空间频率范围的强度调制; 对小焦斑而言, 光谱色散匀滑主要消除中低空间频率范围的强度调制, 故将影响焦斑的整体包络形状. 本文所得的数值结果对间接驱动实验中激光束匀滑方案的选择和优化具有参考价值.     

惯性约束聚变装置中靶面光场特性的统计表征方法

在激光驱动的惯性约束聚变装置中,常采用多种束匀滑手段对焦斑的时空特性进行调控.光传输链路中涉及的光学元件众多、传输变换复杂,往往导致光传输模型复杂,且在运用衍射光学方法分析焦斑形态和特征时面临大量的数据处理和计算,致使出现计算量大、计算效率低等问题,亟需寻求快速而简便的新方法来描述焦斑的统计特征.本文利用光场特性的统计表征方法对靶面光场进行表征,采用圆型复数高斯随机变量直接描述靶面光场的统计特征,并基于典型焦斑评价参数对衍射光学方法和统计表征方法得到的远场焦斑进行了对比和分析.结果表明,采用衍射光学方法和统计表征方法获得的焦斑的瞬时特征基本一致,其时间积分的远场焦斑有所不同,但仍可进一步采用相关系数来表征其远场焦斑的时间变化特征.     

基于宽带激光拍频的瞬时束匀滑技术

针对高功率激光装置对靶面辐照均匀性的需求,提出了一种基于宽带激光拍频的瞬时束匀滑技术。激光集束采用宽带激光,利用连续相位板对焦斑包络进行控制,并结合共轭螺旋相位板使得集束中各子束在焦平面处拍频产生旋转周期不同、位置各异的快速运动散斑。合理选择宽带光参数可使得散斑的旋转周期在皮秒至亚皮秒量级,从而达到瞬时匀滑焦斑的目的。通过建立基于宽带激光拍频的瞬时束匀滑技术物理模型,模拟分析了关键参数包括激光带宽和谱线类型对焦斑束匀滑特性的影响和规律,并与双频单色激光拍频技术作了比较分析。研究结果表明,通过合理选取光源谱线类型或增大激光带宽,所提技术可在降低系统要求的基础上增强对激光等离子体不稳定性的抑制,使焦斑实现瞬时匀滑并获得较好的均匀性。     

零相关位相板准远场应用的数值研究

对零相关位相板匀滑准远场散斑的特性进行了数值模拟,并与使用随机位相板(配合二单元 偏振控制板)的情形进行了比较.结果表明,尽管零相关位相板是针对入射场为平面波和作为 远场应用而设计的,但在准远场应用中,当离焦距离不超过0002355λf²/d2,入射场的振幅随机起伏不超过10%和位相随机起伏不超过λ/2０的情况下,其 散斑的光强起伏仍明显低于采用随机位相板的情形.因而,零相关位相板在准远场应用中仍 能有效地匀滑散斑. 关键词： 零相关位相板 准远场散斑匀滑 激光聚变     

基于光克尔效应的径向匀滑方案参数优化

在基于光克尔效应的径向匀滑方案中,抽运光脉冲序列利用非线性介质的光克尔效应对激光束附加周期性的球面位相调制,从而使激光束远场焦斑内部散斑产生周期性的径向扫动,以改善远场焦斑均匀性。为了分析抽运光时间特性的改变对匀滑效果的影响,建立了径向匀滑方案的理论模型,并利用该模型对抽运光的时间特性参数进行了分析及优化。结果表明,在抽运光子脉冲之间的延迟时间一定时,子脉冲的脉宽过大或过小均会降低激光束远场的辐照均匀性,而随着子脉冲脉宽的增大,激光束远场的辐照均匀性随积分时间的波动相对趋于稳定,因而在避免产生明显"拍频"现象的前提下,选取较大的抽运光子脉冲脉宽更有利于实现稳定的匀滑效果。激光束与抽运光的时间同步精度对初期的匀滑效果有较大的影响,当抽运光提前1/5个周期左右时,可以在更短的积分时间内达到较好的径向匀滑效果。此外,不同的抽运光时间波形所获得的匀滑效果也有所不同,当抽运光的时间波形为三角波时,焦斑内部散斑的径向扫动速度较为稳定,可以使径向匀滑的整体效果及稳定性得到有效改善。     

连续相位板束匀滑容差能力分析

在惯性约束聚变系统中,改进G-S算法设计的连续相位板能够对波前发生畸变的激光进行束匀滑处理,以改善远场分布。由于连续相位板对不同畸变状态的波前进行处理后的效果不一样,因此针对连续相位板的束匀滑容差能力进行了系统分析。鉴于畸变光束的传输特性,采用波前均方根梯度来量化波前畸变量,定量计算了不同畸变光经过匀滑处理后的远场光强分布情况。并比较了不同入射畸变光通过连续相位板后的远场焦斑顶部均匀性,结果表明:当入射波前畸变的均方根梯度小于0.32 wave/mm 时,连续相位板具有很好的束匀滑效果。     

基于线性调频脉冲的光谱色散平滑技术实验研究

在激光驱动惯性约束聚变研究中,束靶高效耦合依赖于采用合适的束匀滑措施.目前,结合光谱色散平滑(smoothing by spectral dispersion,简称SSD)、相位板和光束叠加的技术是固体激光驱动器采用的主流束匀滑技术.瞄准间接驱动,实验研究了一套基于线性调频脉冲的SSD技术.在采用该技术后,远场色散方向上的高频调制得到了匀滑,色散后的近场也得到了匀滑.测量得到的光谱结构与理论模拟接近.该方法不需要相位调制器,而这类器件在传统SSD技术中是一个关键器件.     

基于随机输入的束匀滑位相板研究

根据随机畸变激光波前入射确定束匀滑位相板的模型,利用随机理论分析了光束通过位相屏后的传输特性、透射光远场分布的统计均值和方差.通过计算得知远场分布的方差与位相屏的傅里叶谱的平方成正比.利用数值模拟计算了随机生成的两个波前分别通过两个位相屏后的远场分布,模拟结果证实了位相屏用于随机相位畸变激光束匀滑的可行性,并显示了匀滑效果.     

基于随机输入的束匀滑位相板研究

根据随机畸变激光波前入射确定束匀滑位相板的模型,利用随机理论分析了光束通过位相屏后的传输特性、透射光远场分布的统计均值和方差.通过计算得知远场分布的方差与位相屏的傅里叶谱的平方成正比.利用数值模拟计算了随机生成的两个波前分别通过两个位相屏后的远场分布,模拟结果证实了位相屏用于随机相位畸变激光束匀滑的可行性,并显示了匀滑效果.     

基于双频光源和涡旋相位的互补旋转集束匀滑方案

提出了一种基于双频光源和涡旋相位板实现光束快速互补旋转的集束匀滑方案。双频光源为集束中各子束提供频移，拓扑荷数相同但反号的涡旋相位板阵列用于将各个子束变换成拉盖尔—高斯(LG)光束，而通过偏振控制则可实现子束间两两的相干叠加。在此基础上，通过采用共轭连续相位板可使波长不同、偏振态不同的子束组合在靶面形成快速旋转且空间上互补填充的焦斑。结果表明，利用这一方案可实现子束散斑在靶面上快速旋转且散斑分布保持互补，进而有效改善靶面辐照均匀性，甚至为抑制激光等离子体不稳定性提供了一种潜在途径。     

径向偏振调制对聚焦光斑匀滑及偏振特性的影响

基于标量衍射理论建立了光谱色散平滑(SSD)、随机相位板(RPP)和偏振匀滑(PS)联用的光束匀滑方案数值仿真模型。以斑纹对比度和偏振度为主要评价参量,利用该模型研究了径向偏振调制的匀滑及消偏振特性。研究表明,径向偏振调制可以有效降低聚焦光斑斑纹对比度和偏振度。使用半波片拼接方式产生近似径向偏振光时,拼接单元数对匀滑及偏振特性影响较小,8片拼接的匀滑效果已与理想径向偏振光几乎一致。对比分析了径向偏振调制、正交偏振调制和双折射楔三种PS方式,结果表明,由于三种PS方式本质上的一致性,光束的匀滑及偏振特性差别较小。