高功率固体激光装置哈特曼传感器参考波前标定方法

在高功率固体激光驱动器中,参考波前标定是自适应光学系统应用过程中的关键技术之一。基于国内某大型激光原型装置光路特点,对比研究了两种不同的参考波前标定方法,详细分析了两种方法的标定过程和影响标定结果准确性的主要因素,选取了较为准确的参考波前标定结果。基于该参考波前,对AO系统闭环和开环条件下的远场进行了对比测试,实验证明了标定结果的有效性。该研究结果成功应用于该激光原型装置的AO系统波前补偿实验。

四程放大系统腔镜位置变形镜的面形解

根据在大型高功率固体激光装置中自适应光学技术的应用研究,将变形镜置于腔镜位置,有利于提高自适应光学系统的校正动态范围。基于变口径90°翻转四程放大系统的光路特点,从理论上比较完整地解决了四程放大系统腔镜位置变形镜面形解的存在性问题,并对口径变换比值(缩束比)与面形求解之间的关系问题进行了数值模拟,结果表明:只要缩束比小于1,对应系统连续波前畸变的腔镜位置面形解是存在的,且随着缩束比减小,解的收敛性增强。

高功率固体激光构型验证装置波前畸变及补偿特性

为了优化高功率固体激光装置波前补偿系统的设计方案,基于构型验证装置开展了波前测试和补偿实验。实验结果显示,虽然等效钕玻璃片数大大增加,但由于主放采用了"U"型反转器技术,扣除离焦量后的静态和动态波前与原型装置相比没有显著提高,主要变化为离焦分量。若不采取任何补偿措施,会影响激光在前级滤波器的顺利过孔,造成近场缺光现象。实验中,为保证激光在动态发射时顺利过孔,采用了调节透镜的方式,使激光在各级滤波小孔位置有合适的预留量。同时,利用原型装置现有的小口径变形镜对扣除离焦后的像差进行补偿,减小激光在末级滤波小孔位置的像差。综合上述两种方法,成功解决了近场缺光的问题。针对未来高功率固体激光装置,伴随着光束口径和等效钕玻璃片数的增加,主放大器内的像差也会大幅度增加,采用上述调节透镜的方式可能无法兼顾静态和动态两种状态下的通光问题,需要在主放大系统内增加主动补偿措施,为腔镜变形镜的应用提供了实验依据。

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。

高功率固体激光器锥形空间滤波孔应用

锥形空间滤波孔是一种应用于高功率固体激光装置空间滤波的新型结构滤波小孔,其内部光滑的锥形结构可以有效滤除光束中的高频成分且避免等离子堵孔现象的发生。根据神光-Ⅲ主机装置结构特点,设计并加工了适用于主机装置的锥形空间滤波小孔,并开展了应用实验研究。通过与传统的平面结构滤波小孔对比可以看出,锥形小孔有效地避免了等离子体度堵孔现象,在与光束波前补偿技术配合使用条件下,保证光束顺利过孔,并成功实现了基频光7988J的满能量输出。

高功率固体激光装置主放大系统隔离技术实验

基于菲涅耳公式,分析了偏振光通过钕玻璃片的透射率及反射率,讨论了高功率固体激光装置离轴光束对隔离性能的影响。根据光轴和小开关晶体晶轴走偏导致的退偏损耗的原理,可以使用开关晶体的姿态去补偿光束旋转误差的退偏损耗。实验结果表明,钕玻璃片小角度变化不影响系统对偏振光选择性通过,并且利用开关晶体来补偿光束旋转误差的退偏损耗能提高系统隔离比3倍以上。

超短脉冲激光装置波前校正实验研究

为了提高光束质量和能量集中度,在SILEX-I超强超短脉冲钛宝石激光装置上进行了自适应光学波前校正系统实验研究,研究了波前校正系统对波前畸变、远场焦斑及能量集中度的改善情况。该系统基于相位共轭原理,主要由哈特曼波前传感器、变形镜、电控单元及控制软件等组成。实验结果表明:进行波前校正后,波前峰谷值从1.885μm下降到0.438μm,均方根值从0.379μm下降到0.052μm;远场焦斑有明显改善;超过峰值通量1/e2的区域的能量与总能量之比为72.4%。

压电薄膜变形镜响应函数计算及参数优化

针对方口径压电薄膜变形镜,采用傅里叶级数法推导了其机电行为的数学解析式。并利用该表达式对该类变形镜的交联值、使用口径等性能指标进行了研究。结果表明:交联值随电极尺寸呈线性变化关系,在可用范围内保持在0.6以上,压电薄膜变形镜大的交联值保证了其对低阶像差强的校正能力;变形镜的校正能力与通光口径密切相关,其最佳使用口径比约为0.8。

飞秒激光在晶体中传输的级联非线性过程

系统地回顾了有关级联过程导致的各种非线性效应的工作,指出了级联效应可导致不同光谱成分间出现能量转移现象,且二阶级联过程中产生的白光还能够提供种子光进而得到基于参量放大过程的宽带锥形辐射。在此基础上,进一步研究了入射的基频波长对于超连续白光能量转移效果及产生倍频效率的影响以及二阶级联过程引起的偏振调制现象,指出当入射波长越靠近相位匹配波长时倍频效率越高,发现二阶级联效应还可以引起显著的基频光偏振调制。

神光-Ⅲ装置主放大系统构型及输出能力实验研究

采用神光-Ⅲ原型装置"多路放大器级联"的方式,构建了神光-Ⅲ主机装置主放大器构型验证平台。在此平台上开展了小开关隔离能力、主放大系统静态透过率、主放大系统隔离比等性能测试,并且考核了大能量发射时的主放大系统基频光输出能力。结果表明:输出基频光的平均通量达到了神光-Ⅲ主机装置的设计水平,同时验证了神光-Ⅲ主机装置主放大系统构型设计的可行性。

甚多束激光直接驱动靶面辐照均匀性研究

针对甚多束激光辐照下的直接驱动靶面光强均匀分布开展了系统研究.利用球谐模分析选定了可实现均匀辐照的靶面弹着点极角分布,并通过数值模拟确定了以等效48束激光直接驱动辐照下靶面三环弹着点极角位置分别为22.4?,47.7?和73.6?.基于特定装置构型分析了实现极向直接驱动时对各路激光指向的修正,并对光束截面焦斑进行了优化,实现了极向直接驱动下的靶面均匀辐照.

双变形镜双哈特曼-夏克传感器耦合校正系统

双脉冲双向传输放大构型是一种在惯性约束聚变激光驱动器领域具有极大应用价值的新型多程放大技术。针对变形镜代替腔镜对双向传输放大构型两束脉冲波前畸变进行补偿的问题,通过将两束脉冲波前先拼接再补偿的方法,研究出了一种基于双变形镜双哈特曼-夏克传感器耦合控制的新型波前校正技术,并利用神光-Ⅲ主机装置的实测数据进行了模拟验证。结果表明,该技术能够有效控制两束激光传输放大过程中所引入的波前畸变,满足系统对空间滤波器过孔的要求。

高功率激光系统空间滤波小孔等离子体特性

为解决高功率固体激光系统空间滤波小孔堵孔问题,针对空间滤波小孔中的等离子体溅射现象,对等离子体扩散1维分布模型进行了分析。分别对铝、金和碳等3种典型材料1维分布情况及扩散速度进行了数值模拟,得到等离子体扩散速度大约为107cm/s。根据模拟计算结果,分析了神光Ⅲ原型装置助推放大级的堵孔风险,结果表明,在长脉冲情况下等离子体溅射造成的影响不可忽略。

ICF激光驱动器波前校正技术研究

在2008-2009年期间，在“神光Ⅲ”原型装置上开展了全光路波前测量和校正实验，实现了并打和对打模式下三倍频焦斑穿650μm靶孔90％以上的能量效率，为物理实验提供了技术保障。同时，基于ICF激光驱动器“变口径＋90°反转＋多程放大”的典型构型，从理论上证明了腔镜位置大口径变形镜面形解的存在性。

腔镜位置变形镜波前补偿与实验研究

在多程放大系统中,激光一般要经过腔反射镜两次,将变形镜置于腔反射镜位置能够有效提高其校正量。在某些多程放大系统设计过程中,为了降低输出端激光的像差,采用了90°旋转的"U"型反转器和变口径技术,激光两次经过腔反射镜的位置和坐标关系都发生了变化。采用数学的方法对这种情况下腔反射镜位置的面形解存在性进行了证明,并在带有90°旋转"U"型反转器的星光-拍瓦(XG-PW)装置上对腔反射镜位置大口径变形镜的应用进行了实验验证。理论和实验研究结果为后续大型激光装置的自适应光学波前补偿方案设计提供了依据。

神光Ⅲ原型装置全光路像差闭环校正实验研究

利用置于神光Ⅲ原型(TIL)装置靶室波前测量系统,获得8束激光全光路静态像差,将测量结果分别过渡到各路主放参数诊断包内的波前传感器。基于主放注入位置的小口径变形镜和主放参数诊断包内的波前传感器,对全光路像差进行闭环校正,利用CCD相机对靶面焦斑进行测量。实验结果表明,全光路像差闭环校正后8束激光在靶面位置的焦斑能量集中度有明显改善,验证了小口径变形镜全光路像差的控制能力,满足了物理实验对靶面焦斑能量集中度的控制要求。

神光-Ⅲ原型装置全光路系统波前测量方法

为进一步提高神光-Ⅲ原型装置8束三倍频激光焦斑的能量集中度,需要对神光-Ⅲ原型装置的全光路系统波前进行校正。其中的关键技术之一就是要准确获得全光路系统的波前畸变。神光-Ⅲ原型装置的8束激光主放诊断包内均配置了一套哈特曼波前传感器,可以较为方便地获得主放大系统输出波前,但却无法直接获得靶场系统波前。解决方法主要有逆向标定和靶点直接测量两种,通过比较两种方法的技术复杂性、测量准确性等指标,结合对校正前后远场焦斑的测量,最终确定采用靶点直接测量的方法能简单、有效地获得全光路系统波前畸变。

高功率固体激光器光路自动准直算法与流程优化

光路自动准直系统用于高功率固体激光装置光路自动调整,确保从预放注入的光束准确地通过主放大级光路到达靶点,准直算法和流程控制是光路自动准直的两项关键技术。针对神光-Ⅲ原型装置光路自动准直系统的腔镜准直算法,基于图像处理技术,提出了基于空间滤波小孔图像信号区域面积最大,长短轴控制以及x,y轴长度控制3种算法。在原型装置上开展的实验表明,x,y轴长度控制算法最有利于准直闭环控制的实现,其准直精度优于90μm。在自适应波前校正系统完成波前预校正后,针对灰度分布变化的远场图像,再使用光路自动准直系统,对光束远场重新准直定位。结果表明,优化后的准直流程可以消除波前预校正对光束远场定位的影响。

惯性约束聚变驱动装置中焦斑整形的自适应光学方法

针对惯性约束聚变(ICF)驱动装置,提出一种新的焦斑整形方法:基于衍射叠加原理,采用自适应光学(AO)技术调整近场相位来实现对远场焦斑形态的控制。以一种新型的变形镜模型——压电薄膜变形镜(PFDM)为例,对AO技术用于焦斑整形的可行性进行了模拟研究。结果表明,在制作工艺允许的范围内,当变形镜的空间分辨率达到一定程度时,便可利用AO技术实现良好的焦斑整形效果,而且能够保证焦斑较好的均匀性。进一步研究结果表明,该方法对波前畸变的容忍度要优于传统方法。

高功率固体激光系统空间滤波小孔尺寸设计

高功率固体激光装置中空间滤波器小孔可将光束中非线性增长较快的空间频率成份滤除,改善由光学元件缺陷导致的光束质量下降,因此小孔的尺寸设计是关系滤波效果的关键因素之一。从抑制非线性最快增长频率出发,对神光Ⅲ原型装置中非线性增长最严重的助推放大级非线性增益进行了理论计算,分析了不同频率成份非线性增长的特点,根据分析结果讨论了该级空间滤波器滤波小孔的尺寸设计要求。分析了影响小孔尺寸设计的两个主要因素:等离子体堵孔效应及低频环效应,并讨论了相应尺寸设计要求。根据分析结果,以神光Ⅲ原型装置助推放大级为例对空间滤波小孔尺寸设计方案进行了讨论。