惯性约束聚变装置中基于光束动态干涉图样的快速光束匀滑方法

摘要

本发明涉及一种惯性约束聚变装置中基于光束动态干涉图样的快速光束匀滑方法。该方法是在激光驱动惯性约束聚变装置激光集束中，将集束分为两两组合的子光束对，每一子光束对均经过相同的连续相位板和偏振控制板，但其工作波长不同且分别插入一对共轭或互补位相板，通过每一对子光束间在远场的动态干涉图样来实现对激光光束远场焦斑的快速匀滑，从而在较短的积分时间内提高焦斑的均匀性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光驱动惯性约束聚变(ICF)装置中光束匀滑技术，具体涉及一种激光驱动惯性约束聚变装置中基于光束动态干涉图样的快速光束匀滑方法。

背景技术

在激光驱动的惯性约束聚变(ICF)装置中，广泛采用了各种空域和时域的光束匀滑技术来实现对激光光束远场焦斑均匀性的控制，以满足物理实验要求的高功率激光装置可精密控制靶面光场分布。在已有的空域束匀滑技术中，常采用连续相位板来控制激光光束远场焦斑包络及均匀性，但由于激光光束内部子光束间的相干叠加，其远场焦斑内部存在散斑结构。这一类散斑结构会导致激光束与靶丸相互作用过程中各种非线性不稳定效应的产生，从而降低激光束对靶丸的压缩对称性，因而需要结合时域束匀滑技术以抑制散斑的存在。现有的时域束匀滑技术包括诱导空间非相干束匀滑技术、光学空间平滑、光谱角色散匀滑技术和径向光束匀滑技术等。

所述诱导空间非相干束匀滑技术是利用宽带激光源来辐照远场，能获得极好的焦斑均匀性，但它只能适用于气体准分子激光器作为激光源，而且需要使气体准分子激光器运行在小能量工作条件下，以避免激光束在放大器中传输时产生非线性光学畸变。

所述光学空间平滑技术是利用光学色散元件将宽带光源的时间非相干转化为空间非相干，使得大量相互独立的干涉散斑同时叠加在靶面上，以获得均匀的远场光强分布。这种减小前端光源相干性的方法可抑制激光束在远场的高频空间调制的产生，然而会对激光的脉冲时间波形产生破坏，影响激光束的传输与放大特性。

所述光谱角色散(Smoothing by Spectral Dispersion，SSD)匀滑技术是通过电光调制器对激光光束进行时间相位调制和利用光栅进行光谱角色散，实现激光束远场散斑的扫动，从而在等离子体热匀滑时间内提高远场焦斑均匀性。目前，由于电光调制器的调制频率受限，光谱角色散匀滑技术使焦斑达到稳定均匀性所需的时间为数十皮秒，远大于各种非线性不稳定效应的增长时间，因而光谱角色散技术对非线性不稳定效应作用不明显。

所述径向光束匀滑技术是指通过泵浦光和光克尔介质对激光光束附加周期性球面位相以实现激光光束远场焦斑在径向方向上的匀滑，从而在较短积分时间内提高光束远场焦斑的均匀性。径向光束匀滑技术使焦斑达到稳定均匀性所需的时间仅为数皮秒，其与各种非线性不稳定效应的增长时间相近，可作为抑制非线性效应增长的一种潜在技术途径。然而，径向光束匀滑技术所需泵浦光难以实现，造价高昂。

发明内容

本发明的目的正是为克服现有技术中所存在的缺陷与不足，提供一种ICF装置中基于光束动态干涉图样的快速光束匀滑新方法。在ICF装置激光集束(集束为多个子光束的集合)中，每一子光束均经过相同的连续相位板、偏振控制板和透镜聚焦至远场焦面。该方法是将集束分为两两组合的子光束对，每一对子光束所经过的连续相位板和偏振控制板相同，但工作波长不同且分别插入一对共轭相位板，通过每一对子光束间在远场的动态干涉图样实现对激光光束远场焦斑的快速匀滑，从而在较短的积分时间内提高远场焦斑的均匀性。

本发明提出的ICF装置中基于光束动态干涉图样的快速光束匀滑方法可用于直接驱动和间接驱动的ICF装置，以改善对靶面辐照的均匀性。

本发明提出的ICF装置中基于光束动态干涉图样的快速光束匀滑方法可作为现有束匀滑技术的一种补充手段，以进一步改善靶面辐照均匀性，尤其是在数皮秒时间尺度内改善焦斑的中高频强度调制，并提供一种抑制激光等离子体相互作用的潜在技术途径。

为实现上述目的，本发明采用由以下技术措施构成的技术方案来实现。

本发明的设计构思是：在激光驱动的惯性约束聚变装置激光集束中，将每一集束分为两两组合的子光束对，每一对子光束对的工作波长不同且分别插入一对共轭位相板，亦即其位相分布共轭或互补。由于工作波长不同、位相分布共轭或互补，每一对子光束对均在远场形成动态干涉图样，从而实时、动态地改变焦斑内部散斑的位置和强度，进而实现对远场焦斑的快速匀滑。

所述设计中，每一对子光束经过共轭位相板、连续相位板和透镜后，其在远场的光场分布可表示为：

式中，A(x,y)＝A₀exp[-(x^2N+y^2N)/w^2N]e^iφ(x,y)为子光束的近场光场分布，Φ(x,y)＝-Φ^*(x,y)为共轭位相板的位相分布，ω和ω‘分别为两子光束的工作频率，φ_CPP为CPP对子光束的位相调制，“FT”表示傅里叶变换。

在积分时间Δt内，远场光强分布为：

式中，Δt为积分时间，“||”表示取绝对值。

所述位相板的位相分布可以但不限于是倾斜面、柱面、球面和螺旋面。

所述位相板的插入位置为远场终端组件之间，可单独作为“即插即用”的位相元件插入至远场终端组件之间，亦可与连续相位板联合加工成同一块位相元件插入至远场终端组件之间，其实现方式灵活可变。

所述工作波长之差在0.01nm至1nm之间，以同时保证子光束之间的相干性和使焦斑均匀性达到稳定所需的匀滑时间在40ps至0.4ps之间。

本发明所述的基于光束干涉图样的快速光束匀滑技术，可使激光束远场散斑在横向、径向或角向等方向扫动，以实现激光束远场焦斑在任意方向的匀滑。

本发明所述的基于光束干涉图样的快速光束匀滑技术，亦可同时使激光束远场散斑在横向、径向和角向等方向的组合扫动，以同时实现激光束远场焦斑的多方向匀滑。

本发明与现有技术相比所具有的优点及有益的技术效果如下。

1、本发明首次提出了惯性约束聚变装置的激光驱动系统中基于动态干涉图样的快速光束匀滑方法，实现了激光束远场散斑的多方向快速匀滑。

2、本发明所述的惯性约束聚变装置中基于动态干涉图样的快速光束匀滑方法与现有一维SSD(1D-SSD)相比，通过使焦斑内部散斑在横向、径向和角向等方向或其组合的扫动，从而在较短积分时间内能实现远场焦斑的匀滑，并能有效地避免激光束在远场产生条纹状的强度调制。

3、本发明所述的惯性约束聚变装置中基于动态干涉图样的快速光束匀滑方法，在与现有二维SSD(2D-SSD)、CPP联合后，可在较短时间内大幅度地改善激光束对靶面的辐照特性，尤其是降低焦斑中高频强度调制的产生。

4、本发明所述的惯性约束聚变装置中基于动态干涉图样的快速光束匀滑方法，与现有SSD、径向匀滑相比，通过在远场终端组件插入位相板和使子光束工作波长不同的方法实现对远场焦斑的匀滑，满足即插即用的要求，实现方式灵活可变。

附图说明

图1是本发明实现所述惯性约束聚变装置中基于动态干涉图样的快速光束匀滑方法的示意图，即在激光集束中插入元件2可实现快速光束匀滑。

图2是本发明所述惯性约束聚变装置中基于动态干涉图样的快速光束匀滑方法中的位相板的位相分布，其中，(a)为倾斜位相，(b)为柱面位相，(c)为球面位相，(d)为螺旋位相。

图3是本发明所述惯性约束聚变装置中基于动态干涉图样的快速光束匀滑方法中无连续相位板时的焦斑，其中，(a)为已有的1D-SSD光束的焦斑，(b)为快速光束匀滑方案在不同时刻的焦斑。

图4是本发明所述惯性约束聚变装置中基于动态干涉图样的快速光束匀滑方法中有连续相位板时的焦斑，其中，(a)为已有的2D-SSD光束匀滑的焦斑，(b)为单独使用快速光束匀滑方法的焦斑，(c)为2D-SSD和快速光束匀滑方案联合使用时的焦斑。

图5是本发明所述惯性约束聚变装置中基于动态干涉图样的快速光束匀滑方法中有连续相位板时，快速光束匀滑方法、2D-SSD两种光束匀滑方案，2D-SSD和快速光束匀滑方案联合使用(以倾斜位相为例)下，其焦斑的光通量对比度随积分时间Δt的变化曲线和FOPAI曲线。

图6是本发明所述惯性约束聚变装置中基于动态干涉图样的快速光束匀滑方法(柱面位相)单独使用、2D-SSD单独使用和两者联用三种方案下，其焦斑的光通量对比度随积分时间的变化曲线。

图中，1激光集束，i、ii、iii、iv表示各个子光束，2共轭位相板，3连续相位板，4 双折射棱镜，5聚焦透镜，6远场焦面。

具体实施方式

下面结合附图并用具体实施例对本发明作进一步详细说明，有必要在此指出的是所述的实施例只是用于对本发明的进一步描述，而并不意味着是对本发明保护范围的任何限定。

实施例1

本实施例中所用共轭位相板为倾斜位相板，其位相PV(peak-to-valley)值为2λ(λ＝351nm)，口径为372mm×372mm。为达到与2D-SSD相当的效果，使子光束i和ii的倾斜位相板沿x方向倾斜，而使子光束iii和iv的倾斜位相板沿y方向倾斜。激光集束中各个子光束的工作波长分别为λ_i＝λ_iii＝351nm，λ_ii＝λ_iv＝351.1nm，子光束i和子光束ii的偏振态为x线偏振，子光束iii和子光束iv的偏振态均为y线偏振。积分时间为10ps。

图2给出了共轭位相板的位相分布，可但不限于是倾斜位相、柱面位相、球面位相和螺旋面位相，本实施例采用(a)中的倾斜位相。

为方便比对，将实施例1的快速光束匀滑方法与典型的一维1D-SSD进行比对，其中1D-SSD的参数按照文献(S.Skupsky,R.W.Short,T.Kessler,et al..Improved laser beamuniformity using the angular dispersion of frequency modulatedlight.J.Appl.Phys.66,3456 (1989).)进行选取，即时间位相调制的调制频率ω_m＝2.5GHz，调制深度为δ＝12，光栅色散系数为集束中各个子光束的工作波长分别为λ_i＝λ_iii＝351nm，λ_ii＝λ_iv＝351.1nm。

图3～图5对实施例1中的快速光束匀滑方法对远场焦斑均匀性的改善效果进行了展示，图中结果充分说明了本发明所述的基于动态干涉图样的快速光束匀滑方法的有效性、可行性。

图3所示，对比了无连续相位板3时，1D-SSD和快速匀滑方法的焦斑。其中，(a) 是典型的1D-SSD的焦斑分布，其扫动方向为y方向；(b)为本发明所述的快速光束匀滑方法的焦斑分布，表现为焦斑在x和y方向的扫动。

图5所示，对比了有连续相位板3时，2D-SSD、快速匀滑方法、2D-SSD与快速匀滑方法联合使用三种方案下的焦斑分布。其中，(a)为2D-SSD的焦斑，焦斑在x和y方向得到匀滑，存在明显的条纹状的光强调制；(b)为本发明所述的快速光束匀滑方法得到的焦斑，在x和y方向得到匀滑，但不存在明显的条纹状强度调制；(c)为2D-SSD与快速匀滑方法联合使用的焦斑，均匀性得到了极大的改善。值得指出的是，焦斑尺寸并未明显改变。

为了定量分析焦斑均匀性的改善程度，采用焦斑光通量对比度(Contrast)来评价，焦斑光通量对比度越小表明焦斑均匀性越好；其公式表示如下：

式中，I_i,j(x_f,y_f)为(x_f,y_f)位置处的光强；I_mean为平均光强。

为了定量分析束匀滑技术对焦斑内部热斑的改善程度，采用Fractional Powerabove Intensity(FOPAI)曲线来评价，FOPAI曲线向左移表明对焦斑内部热斑的改善效果越好；其公式表示如下：

式中，A为焦斑面积,I_mean为平均光强。

在对焦斑均匀性和内部热斑的改善程度进行定量分析时，针对90％环围能量比的区域进行计算。

利用公式(4)、(5)计算使用了连续相位板3时，仅倾斜位相时、仅2D-SSD和倾斜位相+2D-SSD联用下的三种方案下，焦斑的光通量对比度随积分时间的变化规律，如图5 (a)所示；通过计算使用了连续相位板时，仅倾斜位相时、仅2D-SSD和倾斜位相+2D- SSD联用下的三种方案下，在积分时间Δt＝10ps下的FOPAI曲线，如图5(b)所示。

图5所示，使用了连续相位板3时，仅倾斜位相时、仅2D-SSD和倾斜位相+2D-SSD 联用下的焦斑均匀性变化规律有所不同。

图5(a)所示，仅倾斜位相时，光通量对比度迅速下降至0.55左右，而后保持稳定；仅2D-SSD时，光通量对比度振荡下降至低于0.55；倾斜位相与2D-SSD联合使用时，光通量对比度迅速下降且趋于稳定，束匀滑效果得到较大改善。

图5(b)所示，倾斜位相+2D-SSD联用下焦斑的FOPAI曲线向左移，表明相比于其它两种光束匀滑方案，焦斑内部热斑明显减少，束匀滑效果得到较大改善。

通过上述实施例1及附图的展示，表明了本发明所述惯性约束聚变装置中的基于动态干涉图样的快速光束匀滑方法能够在积分时间10ps内实现靶面的有效匀滑。

实施例2

本实施例中所用共轭位相板为柱面位相板，其位相PV(peak-to-valley)值为2λ(λ＝351nm)，口径为372mm×372mm。为达到与2D-SSD相当的效果，使子光束i和ii的柱面位相板沿x方向，而使子光束iii和iv的柱面位相板沿y方向。激光集束中各个子光束的工作波长分别为λ_i＝λ_iii＝351nm，λ_ii＝λ_iv＝351.2nm，子光束i和子光束ii的偏振态为x线偏振，子光束iii和子光束iv的偏振态均为y线偏振。积分时间为5ps。其它操作步骤及操作过程与实施例1相同，同样可得到与实施例1相同的对激光集束的远场焦斑均匀性的改善效果。

利用公式(4)、(5)计算使用了连续相位板3时，仅柱面位相时、仅2D-SSD和柱面位相+2D-SSD联用下的三种方案下，焦斑的光通量对比度随积分时间的变化规律，如图6 所示。

图6所示，仅柱面位相时，光通量对比度迅速下降至0.55左右，而后基本保持稳定；仅2D-SSD时，光通量对比度振荡下降至低于0.55；柱面位相与2D-SSD联合使用时，光通量对比度迅速下降且趋于稳定，束匀滑效果得到较大改善。

本发明所述实施例仅给出了具体的应用例子，但对于从事惯性约束聚变激光驱动系统的研究人员而言，还可根据以上启示设计出多种用于惯性约束聚变装置的基于动态干涉图样的快速光束匀滑方法，这仍被认为涵盖于本发明之中。