“神光-Ⅱ”装置倍频激光直接驱动冲击波平面性的实验研究

 设计了3套针对“神光-Ⅱ”倍频激光直接驱动的透镜阵列均匀辐照系统，并对冲击波的平面性进行了实验研究。结果表明，冲击波的平面性与透镜阵列参数、平面靶厚度、靶面位置等有关，采用列阵元数为121的透镜阵列进行激光束匀滑驱动的冲击波平面性最好，间接说明它在靶面的激光辐照是最均匀的；另外，随着靶厚的增加，冲击波平面性变差，平面区变小；而且冲击波平面性随靶面离焦位置的变化成一定的周期性变化，第2套透镜阵列焦点处的冲击波平面性最好。     

激光直接驱动聚变球靶初始辐照均匀性分析

采用Ｓｋｕｐｓｈｙ－Ｌｅｅ（Ｓ－Ｌ）球谐模分解方法，按一个简化的物理模型，对激光直接驱动聚变中不同束－靶条件下的靶面初始辐照不均匀度的均方根偏差进行了数值计算，由此分析了在光束完全对称排布的多光束辐照系统中，光束截面光强分布，聚焦透镜Ｆ数，离焦参数（靶心室焦距离与靶丸半径之比），光束数这几个主要因素对辐照的均匀性的影响。     

无规位相板在实现靶面均匀辐照方面的性能分析

数值分析的结果表明：尽管实际辐照靶面的激光光束其振幅和位相是涨落变化的，但是，使用无规位相板同样能改善光束辐照靶面的均匀化程度；无规位相板取不同的无规位相分布对靶面辐照均匀化的影响较小。还讨论了靶面离焦时其光强分布的变化情况。     

甚多束激光直接驱动靶面辐照均匀性研究

针对甚多束激光辐照下的直接驱动靶面光强均匀分布开展了系统研究. 利用球谐模分析选定了可实现均匀辐照的靶面弹着点极角分布, 并通过数值模拟确定了以等效48束激光直接驱动辐照下靶面三环弹着点极角位置分别为22.4°, 47.7°和73.6°. 基于特定装置构型分析了实现极向直接驱动时对各路激光指向的修正, 并对光束截面焦斑进行了优化, 实现了极向直接驱动下的靶面均匀辐照.     

正交偏振板对聚焦光斑偏振特性的影响

在间接驱动的惯性约束聚变(ICF)驱动器中,为控制靶腔入口及其附近光场的偏振特性及辐照均匀性,采用二维光谱角色散(2D-SSD)、随机相位板(RPP)和正交偏振板(OPCP)联用的束匀滑方案,数值模拟和理论分析了OPCP对焦面及离焦面处光场偏振特性以及强度均匀性的影响,并讨论了正交偏振板单元数的选取问题。结果表明,不同单元数正交偏振板对焦面及其附近光场偏振特性和强度均匀性的影响程度不同,且光场偏振特性对离焦并不敏感。此外,离焦会使强度均匀性变差,适当增加正交偏振板单元数可以在一定程度上减弱这种影响。     

太阳模拟器中正方形光学积分器的设计与分析

为了解决太阳模拟器辐照均匀度问题,设计一种可以明显提高太阳模拟器辐照均匀度的正方形光学积分器。根据太阳模拟器以及光学积分器的组成与工作原理,对正方形光学积分器各光学参数进行理论设计,并且分析积分器像差对工作面均匀性的影响。利用Lighttools软件对太阳模拟器系统进行仿真,提出了投影镜离焦改善辐照面均匀性的优化方法。设计的积分器可使太阳模拟器在200 mm200 mm正方形辐照面内的辐照不均匀度达到1.72 %。     

太阳模拟器中正方形光学积分器的设计与分析

为了解决太阳模拟器辐照均匀度问题,设计一种可以明显提高太阳模拟器辐照均匀度的正方形光学积分器。根据太阳模拟器以及光学积分器的组成与工作原理,对正方形光学积分器各光学参数进行理论设计,并且分析积分器像差对工作面均匀性的影响。利用Lighttools软件对太阳模拟器系统进行仿真,提出了投影镜离焦改善辐照面均匀性的优化方法。设计的积分器可使太阳模拟器在200 mm×200 mm正方形辐照面内的辐照不均匀度达到172 %。     

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.     

“神光-Ⅱ”装置第九路靶场终端光学组件的研制

 针对“神光-Ⅱ”装置第九路系统主激光瞄准精度小于等于30 μm和大焦斑辐照均匀性优于10％的要求，提出了靶场终端光学组件的设计结构。应用有限元法对组件关键机械元件和ICF靶室整体进行动静态分析，优化了设计参数。同时与聚焦透镜配合进行数值分析列阵透镜，确定了单元数、曲率和厚度以及单元长和宽等参数。经过实验测试，主激光瞄准精度达到28.9 μm，大焦斑辐照的形状为1 000 μm×500 μm，均匀性为12.0％。     

斜辐照激光等离子体辐射X光子特性

 在神光Ⅱ高功率激光装置上,实验研究了激光斜辐照形成的激光等离子体辐射X射线光子的特性及真空喷射热等离子体流的方向。采用针孔X射线相机测量了钕玻璃激光（基频1.053 μm）辐照铝靶形成的激光铝等离子体辐射的X射线光子的空间分布,并针对正入射和入射激光斜辐照情况下测得的X射线光子量及特性进行了分析和比较。结果发现：入射激光斜辐照固体平面靶产生的向真空喷射热等离子体流的方向是垂直靶面（即法线方向）;正入射和斜入射激光叠加驱动靶时,一定程度上能改善激光辐照的均匀性,但等离子体源辐射的X射线光子数并未发现显著地增加;当激光斜辐照与靶相互作用时,激光能量被等离子体吸收下降。     

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.     

复合泵浦双靶串接中等离子体的均匀性问题

在大功率激光装置上进行了预备性复合泵浦双靶串接实验中，利用针孔透射光栅谱仪对两路激光辐照靶产生的线状激光等离子体的均匀性进行了监测。分析和比较了单靶与串接靶线状等离子体均匀性的差异。     

基于简单透镜列阵的可调焦激光均匀辐照光学系统研究

本文对基于简单透镜列阵的大口径激光均匀辐照光学系统的调焦能力进行了研究, 结果表明, 改变透镜列阵与靶镜之间的距离即可方便地改变靶面上光斑的大小. 文中详细分析了相关参数对调焦能力的影响, 并在此基础上设计出一个实用的光学系统. 用数值方法模拟了激光束通过光学系统后的传输, 发现尺寸不同的靶面光斑具有基本一致的强度结构特征. 定量地分析了光斑内部散斑间隔、调制对比度、顶部不均匀度及能量集中度等描述光斑均匀辐照质量的指标, 并研究了它们随靶面离焦量的变化关系.     

靶丸变形实验的多群扩散整体数值模拟

神光Ⅱ装置上靶丸压缩实验中,黑腔长度的变化会影响靶丸赤道和两极受到的辐照强度,从而导致燃料区被压缩成不同的形状。介绍了辐射多群扩散建模下的辐射流体力学方程组及其数值方法。采用最近研制的二维总体LARED集成程序,对神光Ⅱ不同长度黑腔靶丸压缩变形实验进行了整体数值模拟。结果表明辐射多群扩散建模可以反映腔内辐照均匀性变化情况,靶丸压缩形状与神光Ⅱ实验定性一致。     

图像处理在双波长激光诱导熔石英损伤增长中的应用

利用图像处理方法对比研究了单波长辐照和双波长激光同时辐照下熔石英光学元件的损伤增长阈值。通过实时采集损伤图像和靶面光斑能量空间分布,获取损伤增长发生位置对应的能量密度。针对3ω单独辐照、3ω和1ω同时辐照下熔石英元件损伤增长的实验数据,比较分析了基于图像处理方法和传统损伤增长阈值R-on-1测量方法(国标)所得结果的差异。结果表明:本文采用的图像处理方法在研究小口径非均匀光斑辐照下的熔石英光学元件损伤增长阈值时,能解决传统损伤阈值测试中将能量密度分布非均匀光斑等效为均匀分布的平顶光斑带来的计算误差问题,有助于降低损伤(增长)阈值测量中的光斑口径效应。     

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,Φ540 μm靶丸在能量沉积满足cos²γ和cos γ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cosγ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7 μm以内.     

用于直接驱动的快速变焦新方案

在直接驱动方式的惯性约束聚变装置中, 实现中心点火对靶丸的辐照均匀性要求极高. 然而, 在激光脉冲持续时间内, 由于激光与靶丸的相互作用致使靶丸逐渐缩小, 从而导致辐照均匀性降低以及交叉光束能量转移等不利因素增强, 进而影响点火的进展. 为此, 提出了用于直接驱动的快速变焦新方案, 即利用特殊设计的电光晶体及电极结构, 对激光束附加一个实时、快速变化的球面波前, 以控制打靶激光束的聚焦位置和焦斑大小, 从而达到提高靶面辐照均匀性和抑制交叉光束能量转移的目的. 通过建立快速变焦的理论模型, 并基于激光与靶丸相互作用物理过程的分析, 对焦斑尺寸、附加球面波曲率半径等参数随时间的变化规律进行了数值模拟和分析. 结果表明, 本文提出的快速变焦方案可有效地实现对焦斑与靶丸半径比的实时控制, 且对空间滤波器滤波效果及三倍频转换效率并无明显影响.     

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.     

1.06μm 激光直接驱动烧蚀靶内爆压缩特性

介绍了直接驱动内爆压缩特性实验研究的实验靶型和测量方法.在神光Ⅱ激光装置上采用多种高时空分辨和高能谱分辨的组合型诊断设备获取了内爆压缩相关信息，得到了靶丸辐照均匀性、内爆压缩对称性、径向会聚比、内爆速度以及靶丸球壳平均电子温度，获得的 结果可作为优化靶结构与参数及激光辐照条件的依据.给出了实验中获得的典型结果，并对结果进行了简要的分析讨论. 关键词： 激光烧蚀 直接驱动 诊断技术     

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.