激光束低频畸变波前模型的计算模拟

在分析强激光束低频位相噪声特点的基础上 ,采用位相均方根梯度表征激光束的低频位相噪声并结合随机位相屏构建相应的畸变波前模型。通过模拟计算 ,给出低频位相噪声的均方根梯度与聚焦光斑尺寸的初步规律。

激光聚变研究中心激光技术研究进展

介绍了中物院激光聚变研究中心在神光-Ⅲ主机装置建设、大口径高通量验证实验平台研制、神光-Ⅲ原型装置运行与性能提升、支撑激光驱动器建设的精密装校与洁净处理技术和精密光学检测技术、星光-Ⅲ激光装置建设、PW量级全光参量啁啾脉冲放大系统技术以及高功率波导激光技术等方面的主要研究进展情况。

神光-Ⅲ主机装置成功实现60TW/180kJ三倍频激光输出

2015年9月15日,由中国工程物理研究院激光聚变研究中心承担研制的神光-Ⅲ主机装置成功完成了48束激光三倍频180kJ/3ns、峰值功率60TW的输出测试实验,标志着神光-Ⅲ主机装置已全面建成并达到设计指标,成为现有输出能力世界排名第二、亚洲排名第一的惯性约束聚变激光驱动器。

基于焦斑空间频谱控制的连续相位板设计

改进了传统的盖斯贝格-撒克斯通(G-S)算法,其中包含:改善了初始相位的选取;远场振幅采用弱调制,迭代中进行解相、滤波,以保证设计的相位板连续;对目标焦斑的频谱控制,使焦斑能量在频谱上重新分配。结果表明:相对传统设计的连续相位板(CPP),改进后的G-S算法可以控制CPP的加工单元大小,降低CPP的相位梯度,更好地控制焦斑轮廓,降低特定频带的调制。进一步分析表明,新方法设计的CPP与光谱色散匀滑技术耦合的效果更佳。

光学元件低频位相噪声的空间尺度

建立求位相分布空间尺度的数学模型并计算了实际钕玻璃放大片所产生位相噪声的空间尺度。且就空间尺度对焦斑的影响及其在传输过程中的变化进行了数值模拟 ,结果表明 :空间尺度对聚焦焦斑影响很小 ;在传输过程中 ,位相噪声的空间尺度会增大 ,而这种增长会增强变形镜等光束质量控制手段的效果。

KDP晶体折射率不均匀性对三倍频转换效率的影响

采用正交偏振干涉测量法获得了典型的快速(RG)和传统(CG)生长的KDP晶体折射率空间分布,数值模拟了倍频晶体固定失谐角分别为0和220μrad时晶体折射率不均匀性对高功率三倍频光转换效率的影响。结果表明:快速生长晶体的折射率不均匀性的均方根约为传统生长晶体的6倍;三倍频转换效率在低功率密度下对折射率不均匀性不敏感,在高功率密度下尤其是转换效率较高时很敏感;当混频过程中的二倍频光不过剩时,在晶体折射率变化对三倍频效率的影响方面,倍频晶体比混频晶体严重;目前国产的传统生长晶体可以满足高功率三倍频实验要求。

光学元件“缺陷”对助推放大级光束质量的影响

光学元件"缺陷"制约着高功率固体激光装置负载能力的提升。从统计角度建立了振幅调制型"缺陷"模型,并针对神光Ⅲ原型装置助推放大级分析了"缺陷"分布的统计参量与光束近场质量的关系,得到了一般规律。结果表明,"缺陷"总密度的增加和幂指数的减小都使系统输出光强的中高频成分增加,光束近场质量变差;总密度的变化引起光强各中高频成分变化的幅度近似相等,频率间相对比重基本保持不变,幂指数的变化却会引起各频率间相对比重发生变化;一定范围内,"缺陷"尺寸越大对近场质量的影响越严重;对于助推段,需将元件的"缺陷"总密度控制在600cm-2以下,幂指数控制在2.5以上。研究结果可为降低元件的损伤风险以提高系统的运行负载提供参考。

光脉冲在激光放大介质中的非线性传播

在考虑了激光放大介质中基质的克尔非线性效应和群速度色散以及活性粒子的增益分布后,导出了光脉冲在激光放大介质中传播的基本方程。并在光脉冲中心频率与介质增益峰值频率时重合时,对皮秒超高斯光脉冲在钕玻璃激光放大介质中传播的脉冲形状进行了分析讨论。

高功率激光系统中全息“热像”效应

对高功率激光系统中存在的一种类似于小尺度自聚焦的非线性过程———"热像"效应进行了理论分析和模拟计算。当一束经过遮光物调制的激光光束通过非线性介质后,在随后的光路上将产生一个亮点,即"热像"。"热像"处的光强比背景光强大几倍,因此位于"热像"附近位置的光学元件很可能遭受损伤。从全息成像的角度对"热像"的形成过程进行了分析。结果表明:"热像"的位置处于以非线性介质为中心与遮光物大约对称的地方,"热像"的光强是原始光强的(1+B)2倍。计算机模拟与理论计算结果吻合较好,验证了上述结果。

用于ICF激光驱动器的谐波分离器制作误差宽容度研究

基于标量衍射理论 ,在傅立叶光学基础上 ,推导出了谐波分离器衍射效率与其结构参量的关系式 ;系统地分析了制作误差对衍射效率的影响并进行了计算机模拟研究。

位相扰动下“热像”规律研究

研究了具有位相扰动的激光束经过非线性介质后的传输情况 ,用数值模拟的方法着重研究了入射光强(这里以能量来反映 )、调制深度、调制宽度等与热像的关系。研究结果表明 ,在某些条件下 ,即通常所说的共轭像面处 ,和振幅调制一样也可以看到明显的热像 ,但很多情况下其它一些地方峰值很强 (例如棒后dO/ 2处 ) ,成为最值得关注的位置。光束演化 (光场分布 )对位相调制的深度反应较为敏感 ,某些深度的调制会有更大的危害性。另外 ,调制宽度。

色分离光栅对输入波前畸变宽容度的研究

采用频域分段的方法 ,对强激光系统的波前畸变进行了理论分析 ;使用随机相位屏构建低频畸变波前模型 ,并提出采用迭代算法构建中高频畸变波前模型。使用构建的畸变波前模型作为输入 ,通过模拟计算 。

时间位相调制对高强度三次谐波转换的影响

在惯性约束聚变研究中 ,为了利用光谱色散进行光束匀滑以及抑制KDP晶体等大口径光学元件中的横向受激布里渊散射 ,通常需要对激光脉冲进行时间位相调制 详细讨论了高功率条件下KDP晶体Ⅰ /Ⅱ角度失谐三倍频方案中 ,时间位相调制对三次谐波转换效率和脉冲频谱的影响 研究结果表明 。

ICF驱动器光束定位误差估计

利用加权和法 ,将 ICF物理实验对靶点的定位需求分配到各个组件对靶点的需求。运用等概率和不等概率方法 ,将组件对靶点的需求分配到各元件对靶点的需求。通过光学元件运动量与靶点光束定位之间的关系 ,确定各个元件定位误差估计值 ,并将其值作为光学元件定位误差变化范围 ,在此范围内进行上千条光线追迹法 ,根据正态分布区间估计法进行检验与修正 。

小宽带堆积啁啾脉冲传输放大特性

采用啁啾脉冲堆积的方法可获得ns量级宽带整形激光脉冲,对堆积啁啾脉冲时间波形的影响因素及传输放大后脉冲波形与光谱形状的特性进行了研究。结果表明:在传输过程中脉冲的演化规律与窄带脉冲的演化规律基本一致,而且传输放大过程也不会改变脉冲的调制结构,但光谱形状在传输放大过程中发生了变化,初步认为是由非线性效应造成的;小宽带堆积啁啾脉冲具有与窄带脉冲基本一致的的增益水平。

内腔四程放大高功率激光系统寄生振荡

基于小信号增益公式、菲涅耳反射公式和判断内腔四程放大高功率激光系统寄生腔增益与损耗大小,研究了2个光路构型相似,寄生腔构成相近的高功率固体激光装置(装置A和装置B)的系统寄生振荡问题:首先指出了系统中存在可能起振的3个寄生腔,然后分析了3个寄生腔中影响损耗的各个因素,根据装置A上的实验结果,判断在仅通过钕玻璃片检偏的情况下,装置B的第3寄生腔存在产生寄生振荡的可能性,最后采取加入一组偏振片的方法抑制寄生振荡。

高功率激光装置总体设计的综合评估方法

建立了较完整的高功率激光装置总体设计的评估指标体系,并运用多目标决策理论和加权综合法,初步建立了多级综合评估数学模型,以期对复杂激光装置的总体设计做出较客观的分析评价,选出合理方案;最后利用所建立的数学模型对目前四种高功率激光装置设计结构的技术性和经济性等方面进行了初步综合评估。评估结果表明,多级综合评估模型较合理,对系统总体优化设计有重要的指导作用。

四程放大激光系统输出能量稳定性研究

根据原型装置主放大系统组合式四程放大结构的特点,计算分析了放大过程中注入能量、放大增益及损耗的微小起伏对系统输出能量稳定性的影响。根据原型装置集成实验结果,分析了目前原型装置单路输出能量稳定性水平。研究结果表明:注入能量越大,其变化对输出能量影响越小;小信号增益系数对输出能量的影响明显大于注入能量;系统输出能量稳定性对腔内光学元件的透过率变化要求高于腔外光学元件。在3 ns基频光输出达标点处要使输出能量不稳定性控制在5%以内,注入能量起伏要低于10%,腔内放大片小信号增益系数起伏要低于1%,腔内光学系统损耗起伏要低于2%。

高功率光学元件畸变波前位相均方根梯度计算

根据实际光学元件的畸变波前建立了畸变波前模型,分析了位相均方根梯度计算过程中,三种波前数据处理方式的各自特点及优劣,并得出最佳处理方式,即对波前边缘增添零采样点、加汉宁窗处理、傅里叶变换、低通滤波、傅里叶逆变换、乘上逆汉宁窗,最后截取原始长度的数据。讨论了畸变波前边缘增添零采样点的个数、波前口径、波前抽样间距与均方根误差之间的相互关系。计算证明,对于口径为300 mm×300 mm、抽样间隔为0.5 mm的随机波前,当取截止频率为33 mm-1、初始波前两边分别添14 个点即波前尺寸扩大7mm长时,其均方根误差最小,此时该值为0.008λ,恢复的波前最理想,计算所得的位相均方根梯度也最合理。

晶体角度跟随三倍频效率控制技术

基于推导的倍频晶体匹配角与温度关系的理论分析,揭示了温度对频率转换过程影响的热光物理机制。数值模拟了频率转换过程中二倍频与三倍频晶体的匹配角热敏感性。由于不同晶体材料热敏感性的差异性,实验获得了激光装置中所用晶体材料的匹配角随温度变化的关系曲线。理论分析了不同输入功率密度情况下匹配角失谐对三倍频过程的影响,并在线验证了温度变化导致匹配角失谐,进而引起三倍频转换效率的下降。根据实验获得的晶体匹配角的热敏感性参数,提出利用晶体角度跟随方法进行三倍频转换效率补偿,实现了三倍频能量的稳定输出。