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.     

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     

光束运动特性对焦斑束匀滑效果的影响

提出了光束运动的概念和物理模型,针对光谱色散匀滑技术方案,以正弦位相调制脉冲和线性啁啾脉冲为例,理论分析了啁啾宽带光束的横向"运动"特性及其对焦斑匀滑效果的影响,详细讨论了运动速度大小、运动周期以及运动方式等对焦斑束匀滑特性的影响,得到在相同带宽下线性啁啾脉冲的匀滑效果要优于正弦位相调制脉冲匀滑效果的结论.     

光谱色散匀滑技术与衍射光学器件联用性能的空间频谱分析

基于空间频谱分析方法,建立了光谱色散匀滑技术(SSD: Smoothing by Spectral Dispersion)与衍射光学器件(DOE: Diffractive Optical Element)联用性能的简化分析模型,为SSD与DOE联用时,SSD参量的优化提供了理论依据.数值模拟了SSD各参量,包括脉冲时间、调制频率、位相调制系数、光栅线色散系数等对束匀滑性能的影响.模拟结果表明,SSD参量经过优化选取,且波前畸变随时间快速变化时,能获得良好的束匀滑性能.     

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.     

基于焦斑空间频谱控制的连续相位板设计

 改进了传统的盖斯贝格 撒克斯通（G-S）算法,其中包含：改善了初始相位的选取;远场振幅采用弱调制,迭代中进行解相、滤波,以保证设计的相位板连续;对目标焦斑的频谱控制,使焦斑能量在频谱上重新分配。结果表明：相对传统设计的连续相位板（CPP）,改进后的G-S算法可以控制CPP的加工单元大小,降低CPP的相位梯度,更好地控制焦斑轮廓,降低特定频带的调制。进一步分析表明,新方法设计的CPP与光谱色散匀滑技术耦合的效果更佳。     

小宽带光谱色散匀滑光束传输特性研究

利用激光聚变研究中心自主开发的小宽带传输放大软件对小宽带光谱色散匀滑(SSD)光束进行具有"时间、空间、光谱分辨"的传输模拟,研究了SSD光束通过空间滤波器和自由空间的传输特性.给出了时间、空间、光谱的对应分布图,对比分析了SSD光束与非SSD光束的传输效应.研究结果对于合理设计SSD光束的发散角与空间滤波器小孔之间的匹配关系、选择适宜的调制频率,以及选择束匀滑色循环数等都有重要意义,同时对于光路设计特别是细光束自由传输距离的设计具有指导意义.     

基于涡旋光束的超快速角向集束匀滑方案

针对惯性约束聚变装置对激光集束辐照均匀性的需求,提出了一种基于涡旋光束的超快速角向匀滑方案,即利用螺旋相位板使2×2集束中的两子束由超高斯光束变换为涡旋光束,而其余两子束不变,进而通过对子束偏振态和中心波长的调控,使集束中的涡旋光束和超高斯光束在靶面两两相干叠加.相干叠加后的焦斑以皮秒量级为周期超快速旋转,从而在极短时间内快速抹平焦斑强度调制,改善靶面辐照均匀性.通过建立基于螺旋相位板的激光超快速角向集束匀滑方案的物理模型,分析了其角向匀滑特性,并与光谱角色散技术和径向匀滑技术进行了比较分析.结果表明,这一新型激光集束匀滑方案能实现对焦斑的超快速角向匀滑,且能在数皮秒时间内达到最佳辐照均匀性.     

空间滤波器小孔对谱色散匀滑使用效果的影响

利用柯林斯(Collins)传输公式和将硬边光阑展开为有限个复高斯函数之和的方法,分析了在静态高功率激光器系统中选取不同尺寸的空间滤波器小孔对谱色散匀滑(SSD)效果的影响,并且通过K.R.Manes等提出的统计光学模型,给出了存在相位畸变和振幅调制时小孔选取的模拟计算方法。数值模拟表明,在神光Ⅱ第9路多功能激光器系统中,目前使用的空间滤波器小孔会使部分色散光束的光谱成分被阻断,使得焦斑通量对比度从无孔时的22%增大到36%,影响光SSD效果;分析给出了满足光SSD使用的空间滤波器的小孔尺寸。     

考虑钕玻璃放大器增益特性的光谱色散匀滑系统性能研究

采用数值方法研究了钕玻璃放大器的增益特性对高功率激光系统中光谱色散匀滑单元性能的影响.分析结果表明,入射光中心波长与放大器增益曲线中心波长不一致时,焦斑强度分布会受到一定的影响,且该影响随放大倍数增大趋于明显,而两个波长一致时,强度分布变化较小.靶面焦斑整体的辐照均匀性则主要取决于经过相位调制后的激光束的带宽,放大器的增益特性对其空间功率谱及均匀性无明显的影响.所得结论为光谱色散匀滑单元在激光系统中的实际应用提供了重要的理论参考.     

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.     

Influence of spectral dispersion parameters on the beam smoothing performance of a diffractive optical element

In this paper, a theoretical model to analyze the beam smoothing performance, realized by the smoothing by spectral dispersion (SSD) and the diffractive optical element (DOE), is set up with the use of the spatial frequency spectra of the far-field intensity distribution. The influences of the parameters of the SSD, for example, the frequency of the electrical field, the integration time and the angular dispersion of the diffraction grating, on the beam smoothing performance of the DOE are numerically analyzed. Furthermore, the phase distortion is considered, and the simulated results show the phase distortion should be changed during the integration time in order to obtain a good performance of beam smoothing.     

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。     

光谱色散匀滑技术对衍射光学器件束匀滑性能的影响

 模拟分析了光谱色散匀滑技术对衍射光学器件束匀滑性能的影响。光谱色散匀滑技术的使用提高了衍射光学器件的抗波前畸变能力，降低了对加工精度的高要求。光谱色散匀滑技术与衍射光学器件的联用有望满足惯性约束聚变对束匀滑性能的高要求。     

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.