利用消衍射透镜列阵及光谱色散平滑实现焦斑均匀辐照

提出将空间域的透镜列阵法和时间域的光谱色散平滑法结合起来实现靶面的均匀辐照. 消衍射型透镜列阵能获得边缘陡峭且顶部较平坦的准近场焦斑，光谱色散平滑则能有效地抹平焦斑内部由多光束干涉引起的细密条纹. 数值结果显示，通过该方案能获得均匀性较好的焦斑. 进一步分析了光谱色散平滑单元中位相调制和光栅的参数对辐照均匀性的影响，发现参数的选取要在焦斑均匀性和能量利用率之间取得合理平衡，以在整体上获得最佳的均匀辐照效果. 关键词： 光谱色散平滑 透镜列阵 衍射 多光束干涉     

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.     

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。     

谱色散平滑与透镜列阵联用实现均匀照明

为满足激光惯性约束聚变中靶面激光辐照不均匀性低于5%的要求,在目前使用透镜列阵基础上,提出了谱色散平滑与透镜列阵联用方案,对其进行数值计算并分析其平滑效果和应用可行性。结果表明:焦斑的不均匀性从单独使用透镜列阵时的14%降低到与谱色散平滑结合后的3%;对焦斑点功率谱的分析表明谱色散平滑通过抑制焦斑中高频的频谱强度达到平滑效果。该方案可以进一步提高焦斑平滑效果,计算结果对实际应用有着重要的参考意义。     

采用光谱色散平滑和连续相位板实现靶面均匀辐照的实验研究

为了改善高功率激光装置的靶面辐照均匀性, 在神光-Ⅲ原型装置的一路光上开展了结合光谱色散平滑(SSD) 和连续相位板(CPP)的高通量实验研究．实验基于调制频率9.2 GHz的体相位调制器开展, 输出的相位调制脉冲光谱展宽稳定, 脉冲波形顶部剩余调制很小. 结果表明SSD色循环数为1时预放和主放各级空间滤波器过孔顺利, 包含焦斑95%能量的通量对比度由窄带时的1.71下降到加SSD和CPP时的0.47．三倍频光脉宽1 ns, 能量1115 J时, CPP和终端光学组件元件未见损伤．通过实验解决了在高功率激光装置上采用SSD和CPP进行靶面均匀辐照的若干关键技术, 为将其应用于物理实验奠定了坚实基础.     

脉冲染料激光振荡器的色散问题

本文通过理论推导给出了脉冲染料激光器由多块不同棱镜构成的扩束系统和光栅组合后多程色散的通用计算公式。同时本文也指出光栅与棱镜组合的正确光路安排,从而加大整个系统的色散,减少输出线宽。     

多色、多频光谱角色散匀滑技术的参数优化

针对多色、多频光谱角色散束匀滑方案,数值模拟和分析了多色波长差、多频波长差、带宽和色循环数等主要参数对远场光场均匀性的影响,进而对相关参数进行了优化。结果表明,随着多色波长差的增加,远场焦斑均匀性呈先变好后降低的趋势,即存在最佳波长差;当多频波长差和带宽增加时,远场光场均匀性均得到改善,但考虑高效三倍频的影响,多频波长差和带宽均不宜取太大。当光栅色散系数不变时,远场光强对比度随色循环数的增大呈先减小后增大的趋势,即存在最佳色循环数的选择问题,但最佳色循环数并不为1,而是随着光源参数和光栅参数的变化而有所变化。     

“天光一号”平滑化角多路系统的建立

 采用诱导空间非相干（FEISI）的平滑方法结合传递傅里叶面的技术，建立了一套平滑化六束角多路系统。该系统输出总能量158 J，能量稳定度约4％，输出脉冲宽度25 ns，靶面有效焦斑直径400 μm，焦斑均匀性1.6％，激光功率密度3.7×10¹² W/cm²。     

神光Ⅲ主机极向驱动靶丸表面辐照均匀性

极向驱动是在间接驱动构型的激光装置中,通过重瞄各束激光的位置,实现较均匀的靶丸表面激光辐照,以研究直接驱动惯性约束聚变的关键物理问题.介绍了神光Ⅲ主机装置的激光排布和焦斑特点,以及激光束重瞄方法和靶丸表面激光辐照均匀性优化原则.给出了三阶和五阶超高斯近似下的激光焦斑强度分布,Φ540μm靶丸在能量沉积满足cos~2γ和cosγ假设时靶丸表面最均匀辐照的移束参数,以及二维辐射流体程序模拟最优移束时的内爆对称性结果.二维模拟结果表明,按cos吖假设移束的热斑更对称.分析了激光的束间功率不平衡、激光束重瞄精度和靶丸定位精度对靶丸表面辐照均匀性的影响.模拟结果表明,为了不显著降低靶丸表面辐照均匀性,需要将束间功率不平衡控制在5%以内,激光束重瞄精度和靶丸定位精度控制在7μm以内.     

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。     

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.     

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.     

Research on beam smoothing characteristics using linearly modulated light

Precise physical experiments place strict requirements on target illumination uniformity. A new smoothing technology aimed at indirect-drive laser fusion is studied, which uses linearly modulated light and angular spectral dispersion (ASD). Simulation indicates that the best smoothing effect could be obtained when number of color cycles (N_c) is chosen to be 0.5 at 1.2 nm bandwidth. A table-top setup aimed at the experimental study of the beam smoothing method has been established. When the linearly modulated light generated by pulse stacking is dispersed by a grating with N_c=2.6, periodical undulations are found on the far-field focal spot, which agrees with the simulation results. To improve illumination uniformity, the N_c adopted should be decreased to 0.5. Simulation also indicates that the combination of linearly modulated light, angular spectral dispersion and a continuous phase plate could considerably improve the irradiation nonuniformity.     

高能多脉冲辐射照相的复合靶物理分析

 介绍了电子束与钽靶相互作用的能量沉积解析理论和（钽-碳）复合靶的设计。单靶的某个区域内形成的高温等离子体沿轴的2个方向(±z)溅射而使单靶穿孔,大焦斑束形成较小的孔，小焦斑下靶孔较大而相对光滑。复合靶或修正复合靶可以经受2~3个束脉冲的连续照射。蒙卡模拟计算表明，复合靶或修正复合靶的焦斑尺寸与单靶相同，可用于多脉冲闪光照相。     

用于超快束匀滑的动态波前调控新方案

提出了利用光克尔效应实现激光束波前动态调控,进而实现焦斑超快束匀滑(ps量级)的方案,其原理是利用抽运光动态改变光克尔介质的折射率分布,以对透射主激光束附加时空耦合的动态波前,进而使激光束在靶面的焦斑散斑产生更加快速、多样的变化,最终实现焦斑的超快束匀滑.当抽运光时间波形为高斯脉冲序列,且以小角度倾斜入射至光克尔介质时,由于抽运光和光克尔介质对主激光附加随时间横向移动的周期性球面相位,且球面相位的幅值随时间不断变化,因而可以同步实现激光束焦面散斑的横向和径向超快速扫动,从而更为有效地改善靶面辐照均匀性.     

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.     

Research on target uniform irradiation method using linearly modulated light and special grating dispersion

In indirect-drive laser fusion research, filamentation instability (FI) severely influences laser injection efficiency and beam pointing accuracy in hohlraum. Experiments indicate that high frequency modulations on the far field of the laser driver are responsible for the filamentation. To solve this problem, a new smoothing technique is proposed using linear modulation and special grating dispersion. The linear modulation was realized by stacking a series of 100 ps chirped pulses in fiber delay lines. The temporal smoothing characteristics of the focal spot adopting star and circular grating dispersion were studied. Simulation results indicate that both kinds of grating investigated restrained the high frequency modulations. The star grating has a better smoothing effect when compared to circular grating. The insertion of the star grating could realize “color” variation across the beam in the azimuthal direction and make the far-field pattern rotate with time. Therefore, the time-integrated focal spot would be smoothed in a more comprehensive way. This smoothing method bears the advantage of simple configuration, two-dimensional angular spectral dispersion and not enlarging the far field too much.     

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     

Evolution of terahertz conductivity in ZnSe nanocrystal investigated with optical-pump terahertz-probe spectroscopy

The unique optical properties of nanoparticles are highly sensitive in respect to particle shapes, sizes, and localization on a sample. This demands for a fully controlled fabrication process. The use of femtosecond laser pulses to generate and transfer nanoparticles from a bulk target towards a collector substrate is a promising approach. This process allows a controlled fabrication of spherical nanoparticles with a very smooth surface. Several process parameters can be varied to achieve the desired nanoparticle characteristics. In this paper, the influence of two of these parameters, i.e. the applied pulse energy and the laser beam shape, on the generation of Si nanoparticles from a bulk Si target are studied in detail. By changing the laser intensity distribution on the target surface one can influence the dynamics of molten material inducing its flow to the edges or to the center of the focal spot. Due to this dynamics of molten material, a single femtosecond laser pulse with a Gaussian beam shape generates multiple spherical nanoparticles from a bulk Si target. The statistical properties of this process, with respect to number of generated nanoparticles and laser pulse energy are investigated. We demonstrate for the first time that a ring-shaped intensity distribution on the target surface results in the generation of a single silicon nanoparticle with a controllable size. Furthermore, the generated silicon nanoparticles presented in this paper show strong electric and magnetic dipole resonances in the visible and near-infrared spectral range. Theoretical simulations as well as optical scattering measurements of single silicon nanoparticles are discussed and compared.