激光离子源的光束诊断与双束打靶实验方案的实现

【摘要】：本文通过研究激光束来探究激光离子源的工作机制，进而提高激光离子源的束流品质。论文分为两部分，第一部分是激光束的质量诊断。根据激光光束的基本理论和系统的设计要求，研制了激光离子源激光束诊断系统，测量激光离子源激光束的M2因子、远场发散角、焦斑尺寸和指向稳定性以及近场调制度和对比度，从而了解靶面激光功率密度和焦斑的稳定性，对于深入研究如何提高激光离子源的离子束流强、调节脉冲宽度，改善重复性具有重要意义。同时，测量了激光离子源在不同激光能量、不同工作模式下的光束质量状况，并研究了透镜焦距和透镜类型对激光离子源靶面功率密度的影响。 实验结果表明：(1)当激光器输出能量为0.5J-3.0J时，激光束的光束质量差异相对较小，只需考虑激光能量对激光离子源的影响；(2)激光离子源激光束的能量、能量稳定性、光束质量受工作模式的影响较小，可以忽略；激光离子源在1Hz模式下的光束指向稳定性比single shot模式好；水平方向的指向稳定性比垂直方向好；对激光器进行预热，可以提高激光束的指向稳定性；(3)透镜焦距和类型对靶面焦斑的空间分布、功率密度有很大影响；要想获得更高的峰值功率密度，需要选择短焦距透镜，同时减小透镜的像差，而采用消像差透镜是其中一种有效的办法；(4)采用类间方差法作为激光离子源的激光近场计算的依据，根据近场强度是否满足Imax/Iavg∝[1-4σ,1+4σ]关系式判断是否存在奇异点，采用8-邻域均值法剔除奇异点，对两种方法下的调制度M以及对比度C进行了对比分析，最后给出了激光离子源Nd:YAG激光器的近场调制度M为1.80±0.03，对比度C为0.195±0.005；这可以作为判断激光系统运行安全性，选择合适的光学元件的参考。 论文的第二部分是双脉冲激光打靶方案的实现。为了研究如何提高激光与等离子体的耦合效率，抑制激光等离子体膨胀初期离子的复合，我们设计与搭建激光离子源双脉冲系统，并通过一系列初步实验验证了方案的可行性。同时，在相同的实验条件下对单脉冲与双脉冲的实验结果进行了对比，观察到两者产生的离子脉冲的束流强度分布与电荷态分布有所不同，但是引起这些差异的机制和实验优化需要进一步研究。