利用部分相干光和同心角偏差透镜列阵实现二维靶面均匀辐照

提出利用部分相干光通过透镜列阵系统实现靶而的均匀辐照, 透镜列阵能获得边缘陡峭且顶部较平坦的准近场焦斑, 透镜列阵的适当同心度偏差又使各子束的斑纹相互稍微错开, 使干涉斑纹变密, 而入射的激光是空间相干性减少了的部分相干光, 可进一步抑制了透镜列阵系统焦斑的小尺度不均匀性. 使用广义衍射积分理论, 对高斯-谢尔光束通过透镜列阵光学系统的焦斑光强分布进行了详细的二维模拟研究, 比较了完全相干光与部分相干光经过透镜列阵的匀滑效果. 数值模拟表明, 应用同心度偏差和适当离焦时, 可实现焦斑均匀性和能量利用率同时达到最佳的效果.     

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。     

列阵均匀照明系统的优化设计

 结合理论分析和神光系列装置均匀照明系统的设计和实验经验, 从光的衍射、干涉与光束质量等角度分析了由透镜或衍射光学元件组成的列阵大焦斑均匀照明系统参数与靶 面焦斑强度分布的关系, 提出了列阵系统的优化设计方法。     

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.     

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     

光场相干性对线聚焦均匀性的影响

采用高斯－谢尔模型（ＧＳＭ）光束来模拟部分相干光，研究了具有不同相干多数β的ＧＳＭ光束经柱透镜列阵系统变换后聚焦场的光强分布，并详细讨论了衍射效应和干涉效应对辐照均匀性的影响。     

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.     

倍频激光直接驱动透镜列阵均匀照明系统的优化设计与实验考核

在目前“神光”-Ⅱ器件尚不具备其它更为先进的束匀滑手段的前提下，2004年对透镜列阵束匀滑系统作了进一步的优化设计，以改善和提高靶面光强均匀性。在进行大量计算和比对的基础上，设计了如表1所列的3套新的列阵透镜参数。3套均匀化系统的焦斑尺寸大小基本一样，这是因为实验对此有一定的要求，但对冲击波平面性有很大影响的衍射调制周期有较大的差别，这可能成为决定冲击波平面性好坏的关键所在。     

采用啁啾脉冲堆积的时间束平滑技术

成丝不稳定性是间接驱动靶丸均匀压缩面临的重要问题,10μm到100μm的靶面光强起伏对其影响尤为严重,须采用合理的束平滑措施加以抑制。提出用光纤系统对啁啾脉冲堆积,然后对组合脉冲做光谱角色散,利用焦斑不同时刻对应频谱成分不同形成的束平滑机制,抑制焦斑内的高频起伏。利用傅里叶变换方法推导出了光栅色散后的组合脉冲表达式。模拟结果表明,焦斑尺寸随色循环数和光栅色散方向上基准脉冲带宽的增加而增大。通过计算包含焦斑能量95%范围内的通量衬比度随时间变化的曲线,得出一个色循环、基准脉冲带宽0.3~0.5 nm下可以获得最佳的焦斑平滑效果。这种新型的时间束平滑方法结构简单且焦斑特性可调,这些优点使得它在提高靶面辐照均匀性方面具有重要的应用价值。     

用于光谱色散平滑技术的双通调制器实验研究

在惯性约束聚变中,辐照的均匀性直接影响到内爆实验的效果,通常结合各种空间、时间平滑技术提高光束的均匀性。光谱色散平滑技术正是一种常用的时间平滑技术,其核心是频谱展宽技术。为提高频谱展宽的效果,将单通的腔式调制器设计成双通调制器,以满足光谱色散平滑技术中频谱展宽的要求。理论上计算了双通调制器情况下的速度匹配条件,得到了一个清晰的表达式,同时在实验上验证了理论分析的正确性,以此验证了双通调制器的可行性。最后基于以上方案,进一步提出了改进成多通调制器的构想。     

Beam smoothing by lens array with spectral dispersion

A scheme of combining technology of lens array (LA) and smoothing by spectral dispersion (SSD) is introduced to improve the irradiation uniformity in laser fusion based on the earlier works on LA. The feasibility of the scheme is also analyzed by numerical simulation. It shows that a focal pattern with flat-top and sharp-edge profile could be obtained, and the irradiation nonuniformity can fall down from 14% with only LA to 3% with both SSD and LA. And this smoothing scheme is depended less on the incidence comparing to other smoothing methods. The preliminary experiment has demonstrated its effectiveness.     

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.     

基于低相干光的阵列透镜束匀滑技术研究

基于激光加载的材料状态方程的实验研究对靶面光强分布的均匀性及稳定性提出了极高的要求,靶面光强的上述两大特性在很大程度上决定了实验结果的精度和可重复性.本文针对传统窄带高相干激光装置在激光加载材料状态方程实验中表现出的靶面光强均匀性和光强分布稳定性两方面可能存在的问题,提出了基于宽带低相干激光,利用消衍射阵列透镜联合诱导非相干技术的束匀滑方案,并重点分析了波前相位畸变对靶面不均匀性及稳定性的影响.模拟结果表明,该方法明显降低了靶面不均匀性,提高了对波前相位畸变的包容度,获得了均匀、稳定的光强分布.统计分析显示,焦斑强度分布极差和不均匀性与波前相位畸变均方根梯度相关性较强.因此,可以根据统计结果以及实验对焦斑强度分布的要求,给出波前相位畸变的容差范围,对状态方程实验中激光驱动器参数的设计与优化具有指导意义.     

激光间接驱动球形腔新型光路排布方案

针对激光间接驱动装置中的六端注入球形靶腔结构,提出了新型光路排布方案,即单端集束分两环注入(内环注入角度为35°、外环注入角度为55°).为了对激光集束在球形腔壁上的辐照特性进行评价,提出了利用光通量对比度和FOPAI来评价单集束在球腔壁上光斑的均匀性,以及利用离散度和占空比来评价全部集束在球腔壁上光斑分布的均匀性.结果表明,新型光路排布方案与传统光路排布方案相比,集束在腔壁上的辐照特性保持一致,不仅可缓解在激光注入孔处的"堵孔"问题,而且还可避免传统光路排布方案中集束以小角度入射时在腔内传输所导致的复杂交叉重叠问题.新型光路排布方案可为球形腔结构在激光间接驱动装置中的方案设计提供有用参考.     

An evaluation of target irradiation uniformity based on spatial-spectrum analysis

The irradiation uniformity of target spots in high-power laser driver is evaluated based on spatial-spectrum analysis. Spatial spectrum can display the detailed spatial intensity structure of the spots and show the spatial frequency modes smoothed by the beam smoothing techniques. This evaluating model is applied to two kinds of typical target spots obtained with a lens array and a random phase plate, respectively, and its validity is found to be independent of the spot profile and the degree of intensity modulation. The uniformity evaluations based on this model are in good agreement with the fractional power above intensity.     

Three-directional spectral dispersion for smoothing of a laser irradiance profile

In inertial confinement fusion research, uniform laser irradiation on a fusion target is a key issue. We propose a new method of beam smoothing in which we use three-directional spectral dispersion to reduce the coherent speckle that is unavoidable in the usual two-directional spectral-dispersion scheme. We have used this smoothing technique in a Nd:glass laser system and have demonstrated that the coherent speckle is reduced by a factor of 2.9 from that in two-directional spectral dispersion.     

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.