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高功率激光装置靶面光强分布精密控制技术研究

张锐  
【摘要】:在激光惯性约束聚变研究中,精密物理实验对靶面光强辐照均匀性有严格要求。然而,由于高功率激光装置光束上的波前畸变导致靶面光强分布不均匀,从而会引起多种等离子体不稳定性。因此激光驱动聚变要求采取束匀滑措施来精密控制靶面光强分布,并在靶的流体力学响应时间内快速改变靶面相干斑结构,从而实现靶面均匀辐照。此外,在高功率激光驱动器中,光束的传输、放大与控制问题也一直是强激光物理与技术研究的重点。论文主要针对靶面光强分布精密控制技术开展研究,分析了采用这些技术对高功率激光装置带来的影响。 论文主要研究工作和取得的成果如下: 1.对靶面光强分布精密控制技术中光谱色散平滑(smoothing by spectral dispersion, SSD)涉及的光传输模型进行了研究。详细讨论了SSD脉冲传输放大过程中的幅频效应及抑制措施,为研究和发展靶面光强分布精密控制技术奠定了理论基础。 2.为弥补基于正弦调频脉冲的SSD技术边带分布不均匀且仅对靶面特定空间频段匀滑的缺点,提出了基于线性调频脉冲的SSD方法。该方法可产生超高斯型的光谱分布,实现焦斑时域快速扫动。扫动速度主要取决于基元脉冲宽度和光栅参数。时域匀滑的焦斑光强分布为与光谱类似的超高斯型。该技术的难点在于获得周期性线性调频脉冲。这里采用线性啁啾脉冲堆积的方法来获得线性调频脉冲。实验证明线性调频脉冲进行光谱角色散后对远场的束匀滑效果优于正弦调频脉冲。 3.为解决线性光栅仅能实现焦斑一维匀滑的问题,首次提出了基于星光栅的时域匀滑方法。与线性光栅和圆光栅相比,星光栅具有最佳的辐照均匀性。该技术可实现光束在靶面的圆周‘运动”扫描,获得远场的全方位匀滑。该方法具有结构简单、可实现焦斑二维匀滑和不显著扩大焦斑尺寸的优点。 4.在高功率激光装置上全系统连通研究了基于正弦调频脉冲的SSD关键技术。解决了调频脉冲产生、SSD参数优化、幅频效应抑制、空间滤波器小孔优化、束匀滑焦斑参数评价等关键问题,为SSD的应用奠定了坚实基础。 5.在高功率激光装置上,基于色循环数1的SSD和磁流变加工的连续位相板(continuous phase plate, CPP)开展了靶面光强分布精密控制的综合性实验研究。采用CPP后焦斑大面均匀性和分布轮廓得到控制,包含95%焦斑能量圆内的通量对比度由不加CPP时的1.71下降到加CPP时的0.72。SSD和CPP同时采用时焦斑通量对比度下降到0.47,进一步提高了靶面辐照均匀性。在高功率激光装置上应用SSD和CPP开展了激光等离子体相互作用的物理实验研究。平面靶实验结果表明采用SSD和CPP后X光焦斑均匀性得到显著改善;黑腔靶实验表明采用SSD和CPP后背向散射光份额从不加SSD和CPP时的30%~40%下降到小于5%。为同时实现SSD功能和抑制大口径光学元件内的横向SBS,并获得更高的靶面辐照均匀性,研究了基于复合型调频(Multi-FM)脉冲的SSD技术,并结合CPP开展了全系统联机实验研究。结果表明复合型调频SSD与采用单级调频SSD相比可以进一步匀滑焦斑上的中高频调制。 6.针对间接驱动中的激光等离子体不稳定性,研究了双折射楔板、组合式偏振旋转板和柱矢光束等偏振匀滑技术。针对甚多束激光驱动器采用组束打靶的需求,研究了不同SSD色散方向排布对焦斑匀滑性能的影响。理论模拟结果表明采用色散方向互相垂直的排布方式可在单束光采用一维SSD的情况下实现焦斑的二维匀滑。研究了一种新型巨啁啾方波脉冲产生技术,具备输出快上升沿、可精密二次整形的特点,可从源头上消除幅频效应。 论文的创新点主要包括: 1.提出了基于线性调频脉冲的光谱色散平滑技术,获得了均匀性优于正弦调频脉冲SSD的焦斑;与国外传统技术相比,无需相位调制器、光学精密整形和易于实现多种子脉冲间的精密同步是该技术的优点。 2.结合SSD和CPP技术,在高功率激光装置上开展了靶面光强分布控制的综合性实验研究;应用SSD和CPP开展了激光等离子体相互作用物理实验研究,证实了SSD+CPP技术抑制背向散射的有效性。 3.提出了基于星光栅的光谱角扫描技术,可实现光束在靶面的圆周“运动”扫描,进而获得高功率激光装置远场的全方位匀滑。 4.针对甚多束激光驱动器组束打靶方式,提出了块匀滑技术。理论模拟结果表明通过调整光谱角扫描方向,可以在子束光采用一维SSD的情况下实现组束焦斑的二维匀滑。


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