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ICF驱动器光束非线性热像效应研究

谢良平  
【摘要】: ICF驱动器光束为实现聚变点火实验必须同时满足高能量和高质量两点要求。实践表明,非线性自聚焦效应是限制ICF驱动器激光输出能量及破坏光束质量的主要因素之一。因而理解并掌握自聚焦形成的物理规律,对于ICF驱动器的设计与建造具有非常积极的意义。基于此,本文对一类典型的外部自聚焦损伤现象——热像效应进行了系统深入地研究,建立了物理模型,分析了热像发展变化的物理规律。并在此基础上,对该现象进行了综合模拟,同时开展了基准实验,分三个层次对热像效应进行了分析。论文的主要内容为如下几部分: (1)从电磁波的基本传播方程出发,推导了描述强激光在透明克尔介质中传输行为的非线性近轴波动方程。利用该方程,将激光束近似看作是在传输过程中不变的均匀平面波,在此情况下,详细分析了小尺度自聚焦的形成规律。这部分内容被称为线性扰动不稳定性理论,又称B-T理论,它是小尺度自聚焦的理论基础,也是热像研究的理论基础。 (2)把B-T理论和标量衍射理论相结合,建立起热像效应的衍射理论分析方法。同时把全息成像的概念引入到高功率激光非线性传输领域,指出热像的形成类似于同轴夫琅禾费位相全息过程,从而揭示了热像形成的物理实质。 (3)对位相型、振幅位相混合型衍射物在理想介质、增益损耗介质中热像形成的物理规律进行了研究。得到了热像出现的位置及强度满足的解析关系式。 (4)理论预言了“二阶热像”效应,并解析求出了“二阶热像”的成像位置,成像平面的光波复振幅分布以及近似强度表示式。同时利用散射矩阵理论对级联介质中热像形成规律进行了分析。 (5)对热像效应进行了全面综合的数值模拟。不仅验证了理论的正确性,同时针对理论的局限性,进一步模拟探索了理论条件不满足时热像的形成规律。 (6)引入了空间滤波器抑制热像效应对光学元件造成的破坏,从数值模拟来看,这种方法是行之有效的。 (7)开展了N31钕玻璃介质中位相型衍射物形成热像规律的实验研究,得到了热像的位置、强度及像平面的能流分布等结果,结论与理论模拟结果吻合较好。


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