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.     

基于复合型光栅的光谱色散匀滑新方案

针对惯性约束聚变装置对提高靶面辐照均匀性的要求,提出了基于复合型光栅的光谱色散匀滑新方案,即利用复合型光栅中不同的色散区域对激光束进行不同方向的色散,例如,内部色散区域Ⅰ的色散方向为水平或垂直方向,外部色散区域Ⅱ的色散方向为圆周方向,使得焦斑内部散斑在远场的扫动方向是平动和旋转两种方式的混合,因而可以有效减小焦斑内部条纹状强度调制,进而提高靶面辐照的均匀性.本文建立了基于复合型光栅的光谱色散匀滑理论模型,分析了复合型光栅方案的匀滑效果,并与典型的光谱角色散方案和"星"光栅方案进行了比较.在此基础上,针对复合型光栅的色散区域面积比值、色散区域Ⅰ和Ⅱ的刻线密度等关键参数进行了讨论.结果表明,色散区域Ⅰ面积占总色散区域面积比值在0.3—0.5时,复合型光栅方案可有效减小焦斑内条纹状强度调制和沿径向的强度调制;随着色散区域I,Ⅱ的刻线密度在一定范围内增加,焦斑均匀性得到改善,但结合实际的加工情况,应选取合理的光栅刻线密度;与典型一维光谱色散(1D-SSD)匀滑方案相比,该方案的靶面辐照均匀性更好,且可实现与多维光谱色散匀滑类似的效果,而与"星"光栅方案相比,该方案中复合型光栅的加工相对较简单,且其靶面辐照均匀性也更佳.     

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     

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.     

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.     

基于复合型光栅组合的多色集束匀滑方案

提出了基于复合型光栅组合的多色集束匀滑方案,可实现激光集束在靶面上平移和旋转两种运动方式的组合。建立了靶面散斑的横向扫动速度物理模型,并推导出激光束横向扫动速度的解析表达式,进而讨论了靶面横向扫动速度的变化规律。在此基础上,分析了不同复合型光栅组合对靶面辐照均匀性的影响,并对复合型光栅参数的选取进行了优化。结果表明,与传统的线性光栅色散匀滑方案相比,在使用复合型光栅时激光束靶面散斑的扫动速度和扫动方向更加复杂,因而其匀滑效果更佳。与典型的束匀滑方案进行对比,经过优化的基于复合型光栅组合的多色集束匀滑方案能够有效改善焦斑均匀性和抑制焦斑内部热斑比例。此外,采用功率谱密度曲线对激光束纵向强度分布特性进行初步分析,结果发现,基于复合型光栅组合的多色集束匀滑方案能有效降低激光束纵截面峰值强度。     

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。     

光谱色散后的相位调制光束衍射特性研究

用数值方法研究了激光驱动器系统中使用光谱色散平滑单元后光束的衍射特性.模拟结果表明，光谱色散会使光束衍射光斑变大，近场空间强度均匀性改善，而远场光斑内部存在光强接近于均匀分布的区域.进一步分析了光谱色散平滑单元中相位调制器的调制深度、调制频率及光栅色散系数等主要元件参数对光束传输特性的影响，发现在一定情况下光斑内部会出现较强的强度调制. 关键词： 光谱色散平滑 光束衍射 近场 远场     

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.     

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.     

Influence of laser wavelength on target irradiation uniformity

Target irradiation uniformity is very important in laser-produced plasmas experiments. The wavelength dependence of the irradiation uniformity is investigated in the joint scheme using a lens array (LA) and the technique of smoothing by spectral dispersion (SSD). It is proved that, for the long wavelength laser, lateral thermal conduction smoothing within the target is quite effective, while for the ultraviolet laser, SSD is the main smoothing mechanism. So SSD and other temporal smoothing methods are very necessary in producing uniform irradiation with laser beam of short wavelength.     

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.     

基于光束参量优化实现直接驱动靶丸均匀辐照

在直接驱动惯性约束聚变中,实现靶丸均匀辐照对靶丸压缩特性至关重要,通常要求靶丸表面辐照不均匀度小于1%.现有很多优化高功率激光装置均匀辐照性能的光束排布方案,但受到实际入射光束参量的限制,系统均匀辐照性能难以实现最优化.由于初始辐照不均匀度对靶丸对称压缩特性至关重要,为进一步提高靶丸初始辐照的均匀性,并增加系统对打靶过程中由于靶丸直径变化引起的辐照不均匀的宽容度,从而实现靶丸的中心对称压缩,本文对靶丸表面光束的辐照不均匀度进行了数学分析,并研究了不同入射光束参量下的单光束因子项及其对靶丸均匀辐照的影响.结果表明:对于已知的光束排布结构,存在最优的入射光束参量,使辐照均匀度最高.证明了通过优化入射光束参量提高系统均匀辐照性能的可行性.此外,研究表明单光束因子项与几何因子项存在一定的匹配关系,可通过分析几何因子项的特征,求取与之匹配的单光束因子项,进而获得最优的入射光束参量.本工作为直接驱动靶丸均匀辐照系统的设计和优化提供了一种有效的方法.     

Experiments and analysis of gold disk targets irradiated by smoothing beams of Xingguang II facilities with 350 nm wavelength

Gold disk targets were irradiated using focusing and beam smoothing methods on Xingguang (XG-II) laser facilities with 350 nm wavelength, 0.6 ns pulse width and 20-80 Joules energies. Laser absorption, light scattering and X-ray conversion were experimentally investigated. The experimental results showed that laser absorption and scattered light were about 90% and 10%, respectively, under focusing irradiation, but the laser absorption increased 5%-10% and the scattered light about 1% under the condition of beam smoothing. Compared with the case of focusing irradiation, the laser absorption was effectively improved and the scattered light remarkably dropped under uniform irradiation; then due to the decrease in laser intensity, X-ray conversion increased. This is highly advantageous to the inertial confinement fusion. However, X-ray conversion mechanism basically did not change and X-ray conversion efficiency under beam smoothing and focusing irradiation was basically the same.     

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     

Broadband femtosecond OPCPA system driven by the single-shot narrow-band iodine photodissociation laser SOFIA

A two-stage optical parametric amplifier driven by a frequency-tripled beam from the high-energy iodine laser system SOFIA was built. This single-shot Optical Parametric Chirped Pulse-Amplification facility (OPCPA) and the system synchronizing the pump and signal pulses are described in detail. The chirped seed pulse of a Ti:sapphire oscillator running at the central wavelength of 800?nm is amplified in the two-stage (LBO and KDP) optical parametric amplifier over 10⁸ times. The amplified spectral bandwidth of 68?nm corresponds to the pulse duration of 14?fs when a transform-limited pulse is assumed. This implies a compressed pulse of TW power. Systematic gain measurements reveal a good match with the theoretical predictions. Signal and idler beam fluence profiles are presented. The suitability of the iodine photo-dissociation laser as a pump source for the OPCPA technique is thus proved for the first time experimentally. A distinctive feature of the iodine laser is its very narrow gain bandwidth (<0.1?cm^?1) and, therefore, the conventional chirped-pulse amplification technique does not lead to pulse durations at the femtosecond level.     

Design of Broadband L-band Erbium Doped Fiber Amplifier

An 80 nm bandwidth long wavelength erbium-doped fiber amplifier using a seed light injection method is designed.It is shown that when the wavelength of the seed beam varies from 1520 nm to 1570 nm,the gain at 1610 nm increases and reaches maximum near 1553 nm and then decreases.The gain increases with the seed light power.With the seed light ,the long wavelength Erbium-doped fiber amplifier has 80 nm bandwidth (1570～1650 nm),30 dB gain and noise figure less than 5.0 dB.     

Design of Broadband L-band Erbium Doped Fiber Amplifier

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｄｉｖｉｓｉｏｎｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ(ＷＤＭ )ｍｅｔｈｏｄｇｉｖｅｓａｓｏｌｕｔｉｏｎｏｆｄｅｍａｎｄｏｎｔｈｅｈｉｇｈｓｐｅｅｄａｎｄｈｉｇｈｃａｐａｃｉｔｙｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ .ＯｎｅｏｆｔｈｅｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｔｈｅＷＤＭｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｉｓｔｏｂｒｏａｄｅｎｂａｎｄｗｉｄｔｈｏｆｅｒｂｉｕｍ ｄｏｐｅｄｆｉｂｅｒａｍｐｌｉｆｉｅｒ (ＥＤＦＡ)ａｎｄｔｏｇｅｔｔｈｅｗｉｄｅｂａｎｄａｎｄｆｌａｔ ｇａｉｎＥＤＦＡ .…