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基于晶体拼接的会聚光束三倍频关键技术研究

王军华  
【摘要】:惯性约束核聚变(Inertial confinement fusion,ICF)技术是未来获得可靠清洁能源的方法之一,因此当前世界上多个国家都在发展自己的ICF装置。在传统的ICF激光驱动器中,实现频率转换的非线性晶体一般用大口径的KDP/DKDP晶体。基频光经倍频晶体和和频晶体之后,采用熔石英聚焦透镜将紫外激光聚焦至靶面,最终实现激光点火。在这一过程中,熔石英透镜易受紫外激光损伤的问题是限制ICF激光驱动器负载能力提升的一个重要因素。当前ICF工程应用中熔石英透镜易受紫外激光辐照损伤,目前提高透镜损伤阈值的应对措施主要有两种,分别是提高透镜的熔炼加工质量和采用激光预处理技术对透镜进行预处理,但两种方法的提升幅度都有限,仍旧不能满足工程指标的需求。本文针对该问题提出了一个新的三倍频构型方案。基频激光经倍频晶体之后所得的倍频光和剩余基频激光首先经过聚焦透镜,三倍频晶体放置在透镜的聚焦光路上,使倍频光和剩余的基频光在光束的会聚过程中实现激光和频。三倍频过程产生的紫外激光可以自动聚焦至靶面,进而诱导核聚变反应实现激光点火。相比于KDP/DKDP晶体,三倍频晶体采用非线性系数更大、损伤阈值更高、接受角更大的LBO晶体。为满足会聚光束入射时相位匹配条件的要求,LBO晶体采用多块拼接的方案。如果拼接晶体的切割方向完全相同,在拼接时相互之间就必须有一定的夹角,在夹持时受力方向不同,加持难度大。因此在应用中拼接LBO晶体之间设计成不同的切割角度。该构型不仅能有效地规避熔石英透镜的紫外激光辐照,提高ICF系统中激光驱动器的负载能力,而且能突破LBO晶体的口径受限问题,拓宽ICF实际工程应用中的主材选择范围。本文在理论分析的基础上,对实际工程应用中利用拼接晶体实现会聚光束三倍频的方案进行了计算模拟,并用小口径激光进行了原理性验证实验验证了该方案的可行性。针对中等口径的验证实验也进行了计算模拟。具体内容如下:(1)对ICF激光驱动器进行简要介绍,国外主要以美国的国家点火装置(National Ignition Facility,NIF)为代表,国内以"神光"装置为代表。当前的实际工程应用中,聚焦透镜一旦受到紫外激光辐照损伤就需要进行更换,不仅费时费力,而且成本高。对国内外的晶体拼接研究技术,以及利用会聚光束实现激光频率转换的研究进展进行简要介绍,尤其是非临界相位匹配技术以及非共线相位匹配技术中,对非线性晶体的接受角要求较小,光束可以实现先会聚再进行频率转换,但却需要非共线调整或温度控制。(2)对非线性光学频率转换过程以及相位匹配技术进行了理论分析。详细介绍了介质的非线性极化过程、光学三波耦合过程以及单轴晶体的相位匹配技术,并讨论了会聚光束在空间中的光场传输。对非线性光学晶体材料的性质进行了讨论,并针对本文用到的KDP晶体和LBO晶体的性质进行了全面的详细介绍。(3)对ICF工程应用中(功率密度为4 GW/cm2)的激光二倍频和三倍频转换过程进行了理论计算分析。利用龙哥库塔法求解耦合波方程,采用Ⅰ类相位匹配的KDP晶体倍频,Ⅱ类相位匹配的LBO晶体和频,忽略LBO晶体的非线性吸收效应、能量损耗以及走离效应的影响等,计算分析得到二倍频及三倍频的激光光强、转换效率等理论参数。提出了利用拼接晶体实现会聚光三倍频这一新构型,对此进行了理论计算分析并提出了晶体拼接设计方案以及拼接晶体的加持方案。(4)利用光斑直径为9 mm的小口径光束对会聚光束三倍频进行了原理性验证实验,证实了该方案的可行性。进行了 3块LBO晶体以及7块LBO晶体的对比实验,拼接LBO晶体采用不同的切割角度,以满足大入射角(36 mrad)相位匹配的要求。并且进行了 LBO晶体平行光束三倍频以及会聚光束三倍频的对比实验。原理性实验也验证了采用拼接晶体实现大口径会聚光束三倍频的可行性。(5)对下一步进行的中等口径会聚光束三倍频进行理论计算研究。结果表明,基频激光的峰值功率越高,三倍频转换效率越高;LBO晶体的拼接块数越多,三倍频转换效率越高,越接近平行光束入射时的转换效率。下一步的工作中继续进行中等口径会聚光束三倍频的实验研究,进一步通过实验验证该新的三倍频构型方案在更大通量、更大激光口径上的可行性。


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