单束激光脉冲俘获及放大机理的理论分析与数值模拟研究

本文提出用固体靶前放置薄膜靶来实现激光场放大的新方案, 研究了针对单束激光脉冲条件的俘获及放大机理. 理论模型与数值模拟均表明入射激光能量可以部分地以驻波形式驻留在靶间区域并得到有效放大. 研究表明在入射激光光压、俘获激光光压和电荷分离场的共同作用下, 薄膜靶电子层压缩和膨胀是能量积累存在反复振荡过程的直接原因, 经过振荡后激光脉冲得到稳定俘获.     

利用整形激光脉冲压缩薄膜靶得到中子源

研究了整形激光脉冲对冰冻氘氚靶的压缩。通过数值分析,发现利用分步激光产生的系列激波压缩氘氚靶可以获得较高密度和较低温度的等离子体靶。初始激光强度的选取将影响到压缩后的等离子体密度,继而影响到产生中子的数量。通过调节初始激光强度可以使压缩后的氘氚靶温度处在反应率比较高的范围内,从而得到优化结果。当初始归一化激光振幅为0.5,最终为32时,压缩后的氘氚靶密度可达到18416倍的临界密度,温度达到16 keV,每焦耳入射激光能量可得到109个中子,这个中子产额比现有其他方法所得到的中子产额大4个数量级。     

强激光锥型靶真空电子加速数值模拟研究

真空激光加速机制具有加速场梯度大、加速电子电量高的优点,目前制约真空加速机制研究发展的主要问题是如何产生具有一定初速度的电子并将其注入加速场。提出了一种利用强激光与锥型靶相互作用产生高能电子并实现真空加速的新方法,利用二维PIC(Particle-in-cell)粒子模拟程序对这一方法进行了研究。模拟结果显示,对于光强为10²¹ W/cm²量级的高斯激光脉冲,产生了能量为GeV量级、发散角约为1°的强流快电子束。此外还通过理论解析和参数模拟研究了靶半径对这种超热电子加速机制的影响。     

高功率激光放大器脉冲的整形设计

 针对惯性约束聚变实验对激光驱动器脉冲波形的要求,将优化控制模型理论运用于计算激光放大器输入脉冲的预补偿波形,得到了与实验基本一致的结果。同时给出了我国新一代高功率激光器“神光 Ⅲ”装置主放大器级输入脉冲波形的设计要求。     

高功率激光放大器脉冲的整形设计

针对惯性约束聚变实验对激光驱动器脉冲波形的要求,将优化控制模型理论运用于计算激光放大器输入脉冲的预补偿波形,得到了与实验基本一致的结果。同时给出了我国新一代高功率激光器“神光 Ⅲ”装置主放大器级输入脉冲波形的设计要求。     

高功率激光系统中的脉冲整形

一台脉冲整形器,完成对调Qns激光脉冲的整形,输出1ns主脉冲,上升和下降时间<400ps.在测试仪器精度极限范围内,主脉冲与诊断短脉冲同步的时间抖动<100ps.     

KrF激光脉冲整形研究

 实验研究了脉冲堆积法对KrF激光的整形能力。利用受激布里渊散射(SBS)压缩脉冲获得了脉宽为3~5 ns的短脉冲，用4束激光堆积获得了脉宽为10~15 ns、平顶宽度为5~10 ns的整形脉冲。利用实测SBS脉冲数据，对脉冲堆积法进行了数值模拟，模拟的脉冲宽度为12.7 ns，平顶宽度为7.7 ns，该结果与实验相符。对脉冲堆积法的任意整形能力进行了模拟，讨论了脉冲宽度变化对整形的影响，发现脉宽变化在5%以内时，对整形脉冲的影响较小。对整形脉冲的放大进行了定性研究，结果表明：平顶脉冲通过放大器后，前沿部分放大较多，由于饱和作用，后沿放大较少；如果前端整形脉冲前沿为斜坡状，放大后可以得到近平顶的脉冲。     

复杂激光脉冲波形的整形

介绍了用时空变换的方法对激光脉冲整形的原理；提出了由于硬边光通量调制器引入的动态的光脉冲强度空间分布的不一致性及其克服的方法，理论上用二维快速傅里叶变换（ＦＦＴ）进行了验证；最后计算了系统光强透过率和光束焦斑大小，调制狭缝宽度的关系，为了显示本系统的复杂脉冲整形能力，在实验上获得了惯性约束核聚变（ＩＣＦ）感兴趣的复杂激光脉冲波形。     

飞秒激光脉冲整形技术及其应用

通过频域上控制飞秒激光脉冲幅度、相位和偏振在时域上可以获得几乎任意形状的飞秒激光脉冲,这种飞秒激光脉冲整形技术可为研究光与原子分子非线性相互作用提供一种全新实验技术手段.本文介绍飞秒激光脉冲整形发展历史、技术方法、控制方式及其相关应用,并展望飞秒激光脉冲整形技术未来的发展方向.     

基于整形飞秒激光脉冲的三维微纳制备

飞秒激光脉冲加工具有热效应小、加工精度突破衍射极限、三维内部加工能力等特性,在微纳制备领域独具优势。综述了利用飞秒激光脉冲整形技术结合飞秒激光三维直写进行透明介质中微纳制备的最新进展,这些技术有望在新型集成光学和微纳光学中发挥重要的作用。     

激光等离子体不稳定性的入射光强度效应

用3维粒子模拟程序研究了相对论强激光和高密度等离子体相互作用引起的电磁不稳定。数值模拟表明,在线偏振强激光作用下,等离子体表面出现了电磁不稳定性。形成的不稳定结构随时间发展和激光功率密度的增加进一步深入到等离子体内部,最终使等离子体表面处激发饱和自生磁场。这种由电子速度各向异性而产生的自生磁场对激光有质动力推开电子时所形成的电子热流产生抑制作用,并将直接影响电子加速效率。     

利用双折射透镜组实现激光束空间整形

为了提高惯性约束聚变高功率激光系统的整体效率和充分利用光能,需要将高斯分布的光束整形为空间均匀分布的平顶光束。本文从球面透镜的琼斯矩阵出发,利用光学传输矩阵对双折射透镜组空间光束整形系统进行了理论分析,数值模拟了整形效果,讨论了透镜组参量的选择以及中心加工厚度误差等因素带来的影响,并对该系统进行了实验研究。在实验中,利用该双折射透镜组整型系统实现了光束的均匀化输出。在神光Ⅱ第九路中,在近场静态工作条件下,可将光束填充因子从原来的66%提高到80%。     

调Q激光脉冲的腔内时间整形

在Ｎｄ：ＹＬＦ单纵横激光器腔内调Ｑ脉冲达到某个预定的强度之后，腔内引入附加的损耗使腔内增益与损耗相平衡，净增益为零，这时腔内光强维持恒定，激光器输出为准平顶时间整形调Ｑ脉冲。     

Simulation of the Quasi-Monoenergetic Protons Generation by Parallel Laser Pulses Interaction with Foils

A new scheme of radiation pressure acceleration for generating high-quality protons by using two overlappingparallel laser pulses is proposed. Particle-in-cell simulation shows that the overlapping of two pulses with identical Caussian profiles in space and trapezoidal profiles in the time domain can result in a composite light pulse with a spatial profile suitable for stable acceleration of protons to high energies. At～2.46 × 10^21 W/cm^2 intensity of the combination light pulse, a quasi-monoenergetic proton beam with peak energy ,～200 MeV/nucleon, energy spread 〈15%, and divergency angle 〈4° is obtained, which is appropriate for tumor therapy. The proton beam quality can be controlled by adjusting the incidence points of two laser pulses.     

Beam Shaping Optics for YAG Laser Processing Fabricated by Computerized Numerical Control Lathe

A method for a beam shaping optics is proposed to convert a laser beam profile into arbitrary required intensity distribution. Surface profile of the beam shaping optics is designed by using Snell's law to convert the required intensity distribution at the beam irradiation plane from the input intensity distribution. A computerized numerical control (CNC) lathe is employed to fabricate the beam shaping optics, and acrylic resin is used for the material. The acrylic resin plate is cut by a ball type of grinding wheel tool consisted on diamond powder and polished by a cone type felt buff with alumina ceramics powder. The CNC lathe is powerful tool to control the position of these tools. The fabricated beam shaping optics is aspheric shape with 4 mm of thickness and it works to convert the intensity distribution of multi-mode beam profile with 13 mm of diameter into a flat top cylinder with 1 mm of diameter. A working distance of the beam shaping optics is 60 mm, and its transmittance is over 98%. It succeeds to fabricate uniform melting mark of 0.6 mm diameter on a steel target by the YAG laser process.     

稠密等离子体表面不稳定性的入射光偏振态效应

用二维粒子模拟程序研究了相对论强激光和稠密等离子体相互作用引起的表面不稳定。数值模拟表明,在s偏振光作用下,等离子体表面出现了类瑞利泰勒不稳定性。形成的不稳定结构随时间发展进一步深入到等离子体内部,最终使等离子体密度形成分层泡状结构,并向前传播。这种不稳定的产生与初始等离子体密度有密切关系,在高于20倍临界密度等离子体的表面没有明显观察到这种不稳定。在p偏振激光作用下,等离子体表面不能明显地形成这种结构。因此在三维几何结构下,这种等离子体表面不稳定性将呈现各向异性。这种表面不稳定将直接影响高次谐波产生和离子加速效率。     

大芯径光纤整形飞秒激光脉冲空间分布的研究

通过将1 kHz重复频率的飞秒放大激光脉冲耦合到大芯径（100 μm）阶跃光纤,在27 mm长的光纤中产生了环形空间光强分布,并在3 160 mm的长光纤中观察到平台型的空间光强分布,通过自聚焦效应对该现象进行了解释.结果表明,通过选择合适的光纤,可以实现对放大飞秒激光脉冲的有效空间整形,从而达到改善光束质量的效果.     

大芯径光纤整形飞秒激光脉冲空间分布的研究

通过将1 kHz重复频率的飞秒放大激光脉冲耦合到大芯径(100μm)阶跃光纤,在27 mm长的光纤中产生了环形空间光强分布,并在3 160 mm的长光纤中观察到平台型的空间光强分布,通过自聚焦效应对该现象进行了解释.结果表明,通过选择合适的光纤,可以实现对放大飞秒激光脉冲的有效空间整形,从而达到改善光束质量的效果.     

变栅距光栅实现啁啾脉冲光谱整形

为了充分利用放大介质的增益带宽,获得脉宽更短,功率更高的输出脉冲,需要将输入到主放大链的种子脉冲进行光谱整形来补偿放大过程中的增益窄化效应。提出了利用变栅距反射光栅实现中心波长1053nm,谱宽6nm啁啾脉冲的光谱整形。运用严格的光栅衍射耦合波理论分析光栅的衍射特性,发现该方案不会引入相位畸变。分别计算和分析了刻槽深度、入射角大小、光栅周期以及入射光波长的变化对衍射效率的影响,通过选取适当的光栅参量可获得0.5%~84%的光谱调制深度。