高功率激光在非均匀大气中传输的自聚焦效应研究进展

地基激光空间碎片清除和利用激光辐射把转换的太阳能从空间轨道输运到地面等应用中,不可避免地遇到高功率激光在非均匀大气中的传输问题。由于激光功率已远远超过大气非线性自聚焦临界功率,大气自聚焦效应是影响光束质量的一个重要物理因素。概述了近年来国内外高功率激光在非均匀大气中上行或下行传输的自聚焦效应研究进展,主要介绍了高功率激光在非均匀大气中的传输模型、理论基础、数值和解析研究方法,着重介绍了自聚焦效应对激光传输特性和光束质量的影响,并总结了优化靶面光束质量的方案。此外,还介绍了大气群速度色散效应和大气湍流效应等物理因素对激光光束质量的影响。最后,还提出了该领域值得进一步深入研究的一些问题。     

高功率激光驱动器中小尺度自聚焦和噪声模型

 建立了一套线性的近似分析方法，研究高功率激光驱动器中强激光传输的小尺度自聚焦效应和相位噪声对光束传输和光束质量的影响，给出了系统噪声强度、B积分值与光束近场调制对比度之间的定量关系。研究表明,为保证输出光束质量，即近场调制对比度小于给定值，系统内的噪声强度必须符合一定的谱分布。     

高功率激光装置光束精密调控性能研究进展

光束精密调控是惯性约束聚变(ICF)研究对激光驱动器的基本需求,它是一项装置层面的系统工程。主要介绍了中国工程物理研究院激光聚变研究中心近年来在靶面光强控制、脉冲波形控制、光束近场控制以及在新型光束探索方面所取得的重要进展。     

ICF驱动器中光束谐波分离技术

在激光惯性约束聚变研究过程中,激光驱动器打靶系统的光束谐波分离技术是驱动器建造研究的重要内容之一。根据高功率固体激光驱动器的发展历程,介绍了几种目前世界上正在应用的光束谐波分离技术,并对这些光束谐波分离方法的优缺点进行了对比分析。结合我国激光驱动器谐波分离技术的发展现状提出了将来的发展方向。这对大型激光驱动器的建造具有一定的指导意义。     

激光核聚变与高功率激光:历史与进展

回顾激光聚变近50年来的发展历程,评述聚变物理与高功率激光驱动器的研究进展,展望聚变能源未来前景.     

发散光长程空气传输受激转动拉曼散射效应

研究强激光长程空气传输受激转动拉曼散射(SRRS)效应,寻求抑制措施是高功率固体激光驱动器建造中需要解决的关键问题之一。采用数值模拟的方法研究了发散光长程空气传输SRRS效应的演化规律,通过几何近似理论推导了该效应有效建立时的强度距离乘积阈值和抑制判据。结果表明:发散光长程空气传输SRRS效应的建立速度小于平行光,二者阈值有理论关系;能够有效抑制SRRS效应的发散角设计判据由光束口径、激光强度及安全传输距离决定。     

高功率激光光束经颗粒污染后的近场衍射效应

采用高功率激光驱动器设计软件Laser designer数值研究了激光光束经颗粒污染后的近场衍射特性. 对颗粒污染所产生的调制进行了分类, 并详细分析了真空和石英玻璃中, 振幅调制型和位相调制型颗粒污染对光束近场的影响. 研究结果表明, 无论在真空或石英玻璃中, 位相型颗粒污染对高功率激光光束的近场调制影响较大. 且在石英玻璃中, 位相型硬边颗粒污染所引起的高功率激光光束小尺度自聚焦热像调制现象相当严重. 而由颗粒污染引起光束强区的横向偏移, 却在一定程度对小尺度自聚焦有抑制作用.     

拉盖尔-高斯光束的部分相干特性对克尔效应的影响

拉盖尔-高斯光束由于其特有的涡旋特性使其在大气传输过程中具有更好的稳定性。实际激光输出存在的部分相干性将对光束传输具有明显的影响,在大功率输出模式下,克尔效应的产生也会影响到光束传输的特性。本文从部分相干拉盖尔-高斯光束的交叉谱密度方程出发,推导了克尔效应作用下光束的传输表达式,利用分步傅里叶变换,对高功率部分相干涡旋传输中的克尔效应过程进行了模拟,并对比了不同参数影响下,光束相干性不同时克尔效应的差异。结果表明,克尔效应有助于维持光强的环状结构,提高拓扑荷数能够有效地缓解因相干度降低而造成的涡旋结构衰退的现象。     

封闭通道浮力对流下阵列光束热晕效应分析

研究了高功率激光在封闭通道传输时,空气吸收激光能量引发的浮力对流对热晕效应的影响。建立了浮力对流下热晕效应的物理模型,采用数值计算方法分析了热传导和对流传热这两种影响光束质量的因素,发现浮力对流对封闭通道内热晕效应有削弱作用,并且会造成光束质心漂移。研究了不同排布方式下阵列光束的远场光斑形状、光束质量和光斑质心漂移。结果表明,阵列光束间相互作用下的浮力对流更强,对热晕效应的削弱作用更强,不同排布方式下不同位置处光束的情况不同,通过选择合适的排布方式可以找到优化的光束质量和质心漂移。验证了利用轴向风可以抑制热晕效应的方法,结果表明浮力对流的存在会促进热晕效应的减弱,当轴向风逐渐增大时,热晕逐渐被抑制,浮力对流的影响逐渐消失。     

《强激光与粒子束》(中文核心期刊,EI收录)刊物简介

<正>《强激光与粒子束》(High Power Laser and Particle Beams)是由中国工程物理研究院和四川核学会1989年2月创办的国内外公开出版的科技期刊,2003年改为月刊,2008年增加了中国核学会为主办单位。主要报道我国高能激光与粒子束技术领域的基础理论、实验与应用研究的成果和最新进展。内容涉及高功率激光、高功率微波与粒子束的产生、传输及其与物质的相互作用,加速器及高功率脉冲功率技术。主要学科包括;强激光光学,激光器与加速器,高功率微波,脉冲功率,等离子体物理,惯性约束聚变,粒子物理,纳米技     

等离子体中散斑光场的传输特性

为了深入了解激光驱动惯性约束核聚变系统中连续位相板所产生的散斑在抑制等离子体非线性效应时起到的作用,采用统计光学理论及矩阵光学方法,分析了散斑在等离子体中的传输特性,并通过数值模拟计算了散斑的自相关函数值.在此基础上,解释了散斑抑制等离子体非线性效应的机制,通过定量计算揭示了散斑光场的自相关长度在传输过程中的变化.结果表明,高密度等离子体中的散斑自相关长度更短,这有助于对等离子体中各类非线性效应的抑制.     

Lasers for ICF with a Controllable Function of Mutual Coherence of Radiation

The current status of laser thermonuclear fusion research in the leading world scientific centers is characterized by the development of superhigh-power multi-channel laser facilities of megajoule pulse-energy level. The development of such laser installations operating in the pulse-repetition mode with a large number of laser beams, which are necessary for high-symmetry irradiation of a spherical thermonuclear target, is an extremely difficult physical and engineering problem. The concept of a special laser with a controllable function of mutual coherence of radiation is proposed. The studies performed demonstrate that a laser based on such a principle has a number of advantages as compared to the conventional schemes of lasers. In particular, the optical scheme of the laser is significantly simplified, and the cost of the output-energy unit is reduced by several times. The influence of radiation coherence on the homogeneity of the thermonuclear target irradiation is analyzed. The feasibility of suppressing the small-scale self-focusing without application of spatial filtration is shown. A module of the laser facility has been triggered to check the validity of the principles proposed for constructing a laser driver for power stations, and the first experimental results are reported. The possibility of controlling the coherence of laser beams used in ICF experiments without violation of the laser--target system matching is demonstrated, as well as controlling the distribution of the laser radiation intensity in the lens focus.     

国产纺锤形渐变掺镱光纤实现6 kW宽谱激光输出

高功率高光束质量光纤激光器在工业加工等领域有着广泛的应用,然而光纤中的非线性效应和模式不稳定效应限制着高光束质量光纤激光器的功率提升,采用新型结构大模场增益光纤在同时抑制非线性效应和模式不稳定效应方面具有较大潜力。报道了基于单位自研的纺锤形渐变掺镱光纤激光成功实现6 kW功率、高光束质量激光输出。激光器采用主振荡功率放大结构,放大级采用双向981 nm泵浦纺锤形渐变掺镱光纤,在总泵浦功率为7.68 kW时,输出功率达到6.02 kW,光束质量M2因子约为1.9。通过进一步优化纺锤形掺镱光纤制作工艺及结构参数,有望实现更高功率、近单模光束质量的光纤激光输出。     

非线性光学激光合束技术研究进展

回顾了非线性光学激光合束技术的发展历程,阐述了基于光学相位共轭和基于非线性放大过程的合束思想和基本原理,梳理了重叠耦合、种子注入和布里渊四波混频增强相位锁定激光合束方式的标志性成果,总结了等离子体交叉光束能量转移、金刚石拉曼放大和液体布里渊放大激光合束技术的优势和瓶颈。面向高峰值功率、高平均功率、高重复频率激光输出的实现需求,基于布里渊放大激光合束技术具备系统结构简单、功率负载高且散热效率高的优点,提出了实现单脉冲能量100 J、脉冲宽度10 ns、重复频率10 Hz合束激光输出的可行性方案。     

极强激光场驱动超亮伽马辐射和正负电子对产生的研究进展

高功率超短超强激光脉冲的诞生开启了相对论非线性光学、高强场物理、新型激光聚变、实验室天体物理等前沿领域.近年来,随着数拍瓦级乃至更高峰值功率激光装置的建成,超强激光与等离子体相互作用进入到一个全新的高强场范畴.这种极强激光场与等离子体相互作用蕴含着丰富的物理过程,除了经典的波与粒子作用、相对论效应、有质动力效应等非线性物理过程外,量子电动力学(QED)效应变得格外重要,例如辐射阻尼效应、正负电子对产生、强伽马射线辐射、QED级联、真空极化等.本文主要介绍我们近年来在极端强激光场与等离子体相互作用中激发的QED效应以及伴随的超亮强伽马射线辐射和稠密正负电子对产生等方面的研究进展.     

Experimental study of SBS suppression and coherence property of 1064 nm high power multi-tone fiber amplifier

Seeding high power fiber amplifier employing multi-tone fiber laser is an effective approach to suppress stimulated Brillouin scattering (SBS). In this paper, a two-stage 1064 nm high power fiber amplification system was set up. Single-, two- and three-tone fiber lasers were employed. SBS threshold powers and maximum output powers of the multi-tone cases are enhanced compared with the single-tone case. The multi-tone amplifiers also show comparable optical-to-optical efficiency to the single-tone amplifier. To demonstrate and validate coherence property of the two multi-tone fiber amplifiers, the output laser beams of the amplifiers were self-interfered in our self-made coherent beam combining system. The laser beams of the multi-tone cases showed good coherence property comparable to the single-tone case, which implied that the high power output laser light of the multi-tone fiber amplifiers could be used for coherent beam combining.     

高功率光纤激光的时间部分相干性对相干合成的影响

 将多个光纤激光器的输出光束进行相干合成是获得高功率、高光束质量激光的有效途径。利用准部分相干光(PPCB)模型，计算了高功率光纤激光器阵列发出的部分相干光在远场的能量分布，分析了激光的时间部分相干性对相干合成的影响。计算结果表明，随着单根激光器输出光束线宽的增大，远场光斑的图样基本保持不变，但峰值功率和Strehl比随之减小。对于采用的算例，要保证远场光斑的Strehl比大于0.8，单根光纤激光器的线宽不能超过5 nm。     

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.     

Phase-matched high harmonic generation for the study of rotational coherence molecular dynamics

We report the observation of periodic modulations in the high order harmonic radiation from diatomic molecules in a semi-infinitive gas cell when a preceding femtosecond laser beam, which is off-axis to the high-harmonic generation beam, modifies the phase-matching condition through the field-free alignment of the molecules. The observed modulations of the high harmonic radiation versus the time delay between the pulses result from periodic changes in the nonlinear refractive index associated with rotational Raman coherence. This opens up a new potential technique for studying rotational coherence dynamics in the ground states of molecules.