光谱色散匀滑技术与衍射光学器件联用性能的空间频谱分析

基于空间频谱分析方法,建立了光谱色散匀滑技术(SSD: Smoothing by Spectral Dispersion)与衍射光学器件(DOE: Diffractive Optical Element)联用性能的简化分析模型,为SSD与DOE联用时,SSD参量的优化提供了理论依据.数值模拟了SSD各参量,包括脉冲时间、调制频率、位相调制系数、光栅线色散系数等对束匀滑性能的影响.模拟结果表明,SSD参量经过优化选取,且波前畸变随时间快速变化时,能获得良好的束匀滑性能.     

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.     

大口径衍射光学束匀滑器件的研制

 采用爬山－模拟退火混合优化算法,选取合适的权重因子,改善了衍射光学束匀滑器件的设计性能,其顶部不均匀性小于1%,能量利用率优于95%。采用旋转镂空掩模板,加工出Φ 180的束匀滑器件,并进行了实验研究,获得了较好的束匀滑光强包络。为获得真实的束匀滑分布、改善顶部均匀性、提高抗波前畸变宽容度,选取特定的焦面采样间隔进行了精细化设计。     

菲涅耳区衍射光学束匀滑器件的设计

 采用精细化设计方法，进行了菲涅耳区衍射光学束匀滑器件的设计，利用爬山-模拟退火混合优化算法，获得了真实的束匀滑分布，不仅控制了算法采样点上的光强分布，还控制了其他非采样点上的光强分布。优化得到的束匀滑器件的位相深度小于π，易于后续加工。     

光束运动特性对焦斑束匀滑效果的影响

提出了光束运动的概念和物理模型,针对光谱色散匀滑技术方案,以正弦位相调制脉冲和线性啁啾脉冲为例,理论分析了啁啾宽带光束的横向"运动"特性及其对焦斑匀滑效果的影响,详细讨论了运动速度大小、运动周期以及运动方式等对焦斑束匀滑特性的影响,得到在相同带宽下线性啁啾脉冲的匀滑效果要优于正弦位相调制脉冲匀滑效果的结论.     

多频多色光谱角色散束匀滑新方案

典型的光谱角色散技术中,由于光束带宽受限于高效三倍频,因而无法通过增大带宽来进一步改善焦斑均匀性.结合对四色打靶方案和多级相位调制技术的综合分析,提出了多频、多色光谱角色散束匀滑新方案.该方案能在保持高效三倍频基础上,获得带宽有所加宽,光谱包络近似连续的光源,且在远场匀滑上具有更为独特的优势.结果表明,采用束匀滑新方案后,虽然焦斑会有所增大,但其均匀性却得到明显改善;与典型的束匀滑方案相比,该方案能更为有效地抑制热斑,且达到最佳匀滑效果所需的时间有所减短.此外,通过对阵列光栅中子光栅刻线方向的自由组合可以实现多维光谱角色散的效果.     

周期性啁啾脉冲色散衍射实现近场强度匀滑

 对惯性约束聚变（ICF）激光驱动器中的周期性啁啾脉冲光谱色散后的自由空间衍射传输和近场强度匀滑特性进行了理论分析和数值模拟,并计算了色循环数对两者的影响。计算结果表明：远场光斑随色循环数增加而变大,强度调制加剧;近场强度匀滑效果随色循环数和传输距离增加而增强,但空间形状变化加剧。通过匀滑效果对比发现,基于周期性啁啾脉冲的光谱色散平滑系统的近场强度匀滑效果优于传统的正弦调频光束。     

光谱色散匀滑对焦斑光强频谱的影响

基于焦斑光强的空间频谱分析方法,建立了光谱色散匀滑技术（SSD）对焦斑匀滑的影响模型,提出了控制焦斑空间频率调制的响应函数.揭示了SSD参量对空间频率响应函数的影响规律.理论推导和数值模拟结果都表明：SSD对焦斑光强的频率响应具有周期调制性质,调制特性和色散角、光谱形状等相关.一般地,光谱形状控制空间响应函数形状,色散角决定所能匀滑的最低频率,色循环数可改变响应函数特点,调整对空间低频和高频的匀滑效果.空间频率响应函数的特点为多维SSD应用提出了应用准则. 关键词： 光谱色散匀滑 空间频谱 焦斑 响应函数     

诱导空间非相干束匀滑技术的近区特性及改善技术

诱导空间非相干技术是面向激光驱动惯性约束核聚变的一种具有自身独特优势的束匀滑方法.然而直接使用诱导空间非相干方法将引起强烈的近区强度空间调制,这将威胁装置的运行安全,并严重限制装置的最大输出能力.这也是该方法应用于聚变级高功率激光装置的主要技术障碍之一.本文介绍了一种通过双透镜滤波系统对诱导空间非相干束匀滑技术导致的近区空间强度调制进行匀滑的技术.利用该技术可以在保留诱导空间非相干束匀滑方法的先天优势(更好的远区匀滑特性)的前提下,获得均匀、稳定的近区强度分布,从而避免高功率激光系统在使用诱导空间非相干束匀滑技术时,因为近区强度不均匀、不稳定导致的器件损伤及输出能力受限.在理论建模和数值分析的基础上,以近区调制度、软化因子和透过率为主要评价指标,对比分析了方形、圆形、高斯型等3种滤波孔在不同尺寸下的近区输出效果,最终给出了一种典型的优化结果:16×16诱导空间非相干分割数、0.8倍衍射极限宽度、方形小孔.此时近区强度分布均匀,同时保证了较好的远区匀滑效果和高的能量利用率.在此基础上,针对装置的实际应用情况,进一步分析了准直误差对近区强度分布的影响,结果表明准直误差小于0.1倍衍射极限便不会影响输出的近区质量.对诱导空间非相干束匀滑方法所得焦斑的模拟分析表明,滤波系统的加入能进一步改善焦斑的低频不均匀性.     

实现Nd:YAG光束匀滑的衍射光学器件的研制

 采用爬山-模拟退火混合优化算法与旋转镂空掩模板工艺,针对基频光与三倍频光,设计并加工出口径80mm的连续位相衍射光学器件。在脉冲工作的Nd：YAG激光器上,实验研究了器件的光束匀滑性能,获得了与设计尺寸相符合、边缘陡峭、但包含较大顶部调制的光斑。初步验证了衍射光学器件在固体激光器光束匀滑上的应用可行性。     

Influence of spectral dispersion parameters on the beam smoothing performance of a diffractive optical element

In this paper, a theoretical model to analyze the beam smoothing performance, realized by the smoothing by spectral dispersion (SSD) and the diffractive optical element (DOE), is set up with the use of the spatial frequency spectra of the far-field intensity distribution. The influences of the parameters of the SSD, for example, the frequency of the electrical field, the integration time and the angular dispersion of the diffraction grating, on the beam smoothing performance of the DOE are numerically analyzed. Furthermore, the phase distortion is considered, and the simulated results show the phase distortion should be changed during the integration time in order to obtain a good performance of beam smoothing.     

基于波导相位调制器的光谱色散平滑技术实验研究

利用波导相位调制器产生的正弦调频脉冲进行了光谱色散平滑技术实验研究.结果表明该铌酸锂波导相位调制器可以容易地将DFB振荡器产生的单纵模信号展宽到0.1—1.5 nm,远场分析表明焦斑扫动规律与理论计算一致,近场分析表明SSD对近场百微米尺度的调制有显著改善.本研究为高功率激光装置束匀滑方案的优化提供了参考. 关键词： 远场 近场 光谱色散平滑 惯性约束聚变     

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。     

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.