高功率激光裝置靶面光強(qiáng)分布精密控制技術(shù)研究.pdf

1、在激光慣性約束聚變研究中，精密物理實(shí)驗(yàn)對(duì)靶面光強(qiáng)輻照均勻性有嚴(yán)格要求。然而，由于高功率激光裝置光束上的波前畸變導(dǎo)致靶面光強(qiáng)分布不均勻，從而會(huì)引起多種等離子體不穩(wěn)定性。因此激光驅(qū)動(dòng)聚變要求采取束勻滑措施來(lái)精密控制靶面光強(qiáng)分布，并在靶的流體力學(xué)響應(yīng)時(shí)間內(nèi)快速改變靶面相干斑結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)靶面均勻輻照。此外，在高功率激光驅(qū)動(dòng)器中，光束的傳輸、放大與控制問(wèn)題也一直是強(qiáng)激光物理與技術(shù)研究的重點(diǎn)。論文主要針對(duì)靶面光強(qiáng)分布精密控制技術(shù)開(kāi)展研究，分析了采

2、用這些技術(shù)對(duì)高功率激光裝置帶來(lái)的影響。
　　 論文主要研究工作和取得的成果如下:
　　 1.對(duì)靶面光強(qiáng)分布精密控制技術(shù)中光譜色散平滑(smoothing by spectraldispersion, SSD)涉及的光傳輸模型進(jìn)行了研究。詳細(xì)討論了SSD脈沖傳輸放大過(guò)程中的幅頻效應(yīng)及抑制措施，為研究和發(fā)展靶面光強(qiáng)分布精密控制技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)。
　　 2.為彌補(bǔ)基于正弦調(diào)頻脈沖的SSD技術(shù)邊帶分布不均勻且僅對(duì)靶面特

3、定空間頻段勻滑的缺點(diǎn)，提出了基于線性調(diào)頻脈沖的SSD方法。該方法可產(chǎn)生超高斯型的光譜分布，實(shí)現(xiàn)焦斑時(shí)域快速掃動(dòng)。掃動(dòng)速度主要取決于基元脈沖寬度和光柵參數(shù)。時(shí)域勻滑的焦斑光強(qiáng)分布為與光譜類似的超高斯型。該技術(shù)的難點(diǎn)在于獲得周期性線性調(diào)頻脈沖。這里采用線性啁啾脈沖堆積的方法來(lái)獲得線性調(diào)頻脈沖。實(shí)驗(yàn)證明線性調(diào)頻脈沖進(jìn)行光譜角色散后對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)的束勻滑效果優(yōu)于正弦調(diào)頻脈沖。
　　 3.為解決線性光柵僅能實(shí)現(xiàn)焦斑一維勻滑的問(wèn)題，首次提出了基于星

4、光柵的時(shí)域勻滑方法。與線性光柵和圓光柵相比，星光柵具有最佳的輻照均勻性。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)光束在靶面的圓周“運(yùn)動(dòng)”掃描，獲得遠(yuǎn)場(chǎng)的全方位勻滑。該方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可實(shí)現(xiàn)焦斑二維勻滑和不顯著擴(kuò)大焦斑尺寸的優(yōu)點(diǎn)。
　　 4.在高功率激光裝置上全系統(tǒng)連通研究了基于正弦調(diào)頻脈沖的SSD關(guān)鍵技術(shù)。解決了調(diào)頻脈沖產(chǎn)生、SSD參數(shù)優(yōu)化、幅頻效應(yīng)抑制、空間濾波器小孔優(yōu)化、束勻滑焦斑參數(shù)評(píng)價(jià)等關(guān)鍵問(wèn)題，為SSD的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
　　 5.

5、在高功率激光裝置上，基于色循環(huán)數(shù)1的SSD和磁流變加工的連續(xù)位相板(continuous phase plate，CPP)開(kāi)展了靶面光強(qiáng)分布精密控制的綜合性實(shí)驗(yàn)研究。采用CPP后焦斑大面均勻性和分布輪廓得到控制，包含95％焦斑能量圓內(nèi)的通量對(duì)比度由不加CPP時(shí)的1.71下降到加CPP時(shí)的0.72。SSD和CPP同時(shí)采用時(shí)焦斑通量對(duì)比度下降到0.47，進(jìn)一步提高了靶面輻照均勻性。在高功率激光裝置上應(yīng)用SSD和CPP開(kāi)展了激光等離子體相互作

6、用的物理實(shí)驗(yàn)研究。平面靶實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用SSD和CPP后X光焦斑均勻性得到顯著改善;黑腔靶實(shí)驗(yàn)表明采用SSD和CPP后背向散射光份額從不加SSD和CPP時(shí)的30％～40％下降到小于5％。為同時(shí)實(shí)現(xiàn)SSD功能和抑制大口徑光學(xué)元件內(nèi)的橫向SBS，并獲得更高的靶面輻照均勻性，研究了基于復(fù)合型調(diào)頻(Multi-FM)脈沖的SSD技術(shù)，并結(jié)合CPP開(kāi)展了全系統(tǒng)聯(lián)機(jī)實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明復(fù)合型調(diào)頻SSD與采用單級(jí)調(diào)頻SSD相比可以進(jìn)一步勻滑焦斑上的中高

7、頻調(diào)制。
　　 6.針對(duì)間接驅(qū)動(dòng)中的激光等離子體不穩(wěn)定性，研究了雙折射楔板、組合式偏振旋轉(zhuǎn)板和柱矢光束等偏振勻滑技術(shù)。針對(duì)甚多束激光驅(qū)動(dòng)器采用組束打靶的需求，研究了不同SSD色散方向排布對(duì)焦斑勻滑性能的影響。理論模擬結(jié)果表明采用色散方向互相垂直的排布方式可在單束光采用一維SSD的情況下實(shí)現(xiàn)焦斑的二維勻滑。研究了一種新型巨啁啾方波脈沖產(chǎn)生技術(shù)，具備輸出快上升沿、可精密二次整形的特點(diǎn)，可從源頭上消除幅頻效應(yīng)。
　　 論文的創(chuàng)

8、新點(diǎn)主要包括:
　　 1.提出了基于線性調(diào)頻脈沖的光譜色散平滑技術(shù)，獲得了均勻性優(yōu)于正弦調(diào)頻脈沖SSD的焦斑;與國(guó)外傳統(tǒng)技術(shù)相比，無(wú)需相位調(diào)制器、光學(xué)精密整形和易于實(shí)現(xiàn)多種子脈沖間的精密同步是該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。
　　 2.結(jié)合SSD和CPP技術(shù)，在高功率激光裝置上開(kāi)展了靶面光強(qiáng)分布控制的綜合性實(shí)驗(yàn)研究;應(yīng)用SSD和CPP開(kāi)展了激光等離子體相互作用物理實(shí)驗(yàn)研究，證實(shí)了SSD+CPP技術(shù)抑制背向散射的有效性。
　　 3.