超高功率超短脉冲发展的现状及相关科学问题

超高功率超短脉冲激光系统在其聚焦焦点附近可以实现高达1022-24 W/cm2的峰值功率输出,为强场物理实验研究,以及实验室内模拟极端环境下的天体物理条件提供了直接的实现方案.自从国际上首次提出了建造EW激光的概念,即输出总功率达到1018 W的大型激光系统后,国际上很多国家都在设计和建造大规模的超高功率超短脉冲激光系统.本文简要介绍了国际上这种规模激光系统的发展状况,并结合国内超高功率高能超短脉冲激光的发展,对超高功率超短脉冲激光系统发展中相关技术问题进行阐述.

高功率激光装置前端和预放大系统精密调控技术进展

高功率激光装置是研究激光聚变和高能量密度物理的重要技术手段之一。激光聚变点火对激光装置的能量控制精度、时间功率曲线的控制能力、光谱的控制以及近远场光束质量的控制等都提出了极高的要求,这些参数都能直接影响到激光聚变的物理实验结果。国内高功率激光装置的前端和预放大系统在过去60余年取得了巨大进步,从最初单一的时间波形控制和同步静态控制发展到了当前的激光光束的高稳定全域主动控制。综述了神光II系列激光装置前端和预放大激光系统的精密调控技术的发展历程。

高功率激光装置快速自动准直系统

为提高自动准直效率,结合以太网,设计出一套新型光路自动准直控制和检测方案.该方案采用基于耦合矩阵的前馈补偿及图像Jacobian矩阵的近远场串并行准直方式,并引入局部自适应阈值和二值化算法,同时将模糊控制算法运用到步进电机的调整过程中,提高光束近远场图像的处理精度,降低系统的准直时间.实验结果表明,该准直系统远场的平均调整误差为空间滤波器小孔直径0.44%,能够满足准直系统远场调整精度(小于小孔直径5%)的要求,准直时间由原有的30mins缩短至12mins左右.

高功率激光参数测量中高倍率衰减方案

在高功率激光参数测量中,高倍率衰减方案设计是空间分布测量的关键。分析了远场测量光学系统,将95%环围能量直径作为评价远场测量系统的重要指标,明确了高倍率衰减对远场测量结果的影响,确立了高倍率衰减方案的设计原则。利用Virtual Lab软件,针对单个平板、成对平板、成对楔板三种常见的高倍率衰减方案,分析了衰减片摆放角度、位置、厚度、成对衰减片间距等因素对于远场测量系统的影响。针对焦距3 000 mm,F数为10的缩束系统,考虑杂散光对于远场测量的影响,优化得出最佳高倍率衰减方案。该方案下,远场像面处95%环围能量直径为45.5μm,即3.54倍衍射极限。

百皮秒脉冲放大中自相位调制效应实验研究

利用掺镱双包层光纤放大器对百皮秒单脉冲(重复频率1Hz)进行了放大实验,分析了其放大过程中自相位调制对脉冲时域和频域特性的影响.采用小芯径(纤芯直径6.5μm)掺镱双包层光纤作为增益介质,研究了放大器中从小信号增益到增益深度饱和整个变化过程中自相位调制引起的频谱展宽效应,并分析了SPM引起的脉冲波形和频谱光强分布的变化.采用布喇格光纤光栅扫描方法观察了其光谱的变化,解决了单脉冲光谱不易测量的问题.结果表明:区别于无源光纤中的自相位调制效应,随着抽运功率的增加,百皮秒脉冲放大过程中增益饱和效应和自相位调制效应的共同作用,使脉冲频谱分裂成不对称双峰结构,且光强分布先向短波后逐渐向长波集中.

高功率激光装置空间滤波器小孔准直

利用新型准直远场探测包光栅元件的双向衍射,实现了空间滤波器的小孔准直,特别是对同一段光路中两个空间滤波器的小孔对准.该方案克服了传统滤波器对小孔尺寸的限制并满足远场准直包高稳定性的要求,在光路远场准直的同时实现了小孔中心位置的监测与准直调整,并在以色列项目中得以成功应用,装置实验结果表明:针对装置15倍衍射极限大小的小孔,对准精度小于小孔直径3%,满足装置器件小孔对准调试小于小孔直径4%的要求.

高能皮秒拍瓦激光研究进展、技术挑战及发展趋势

兼具高峰值功率和高脉冲能量两大特征的皮秒拍瓦激光与物质相互作用的物理效果跟脉冲信噪比、聚焦功率密度和时空调控精度等关键因素直接相关。深入研究了这三大因素相应的受限机制、关键技术以及神光II升级装置中皮秒拍瓦激光等典型代表的最新技术进展,对于提升拍瓦激光性能具有指导作用。针对皮秒拍瓦激光的负载受限问题,从元器件损伤阈值、光场退化和洁净控制等方面进行了分析,并综述了基于等离子体光学的脉冲放大及压缩技术在突破高功率激光负载瓶颈的新研究动向。此外,皮秒拍瓦激光要从实验室走向更广泛的应用,还需要持续推进高效高能重复频率皮秒拍瓦激光的技术攻关。

基于空域评价和分布统计的高功率激光装置近场状态分析方法

惯性约束聚变高功率激光驱动器优质的近场分布是提升装置输出性能的关键。研究了高功率激光装置基频近场状态的分析方法,利用统计光学理论,获得了近场通量分布的概率密度函数及其近似表达式,近场的统计特性反映出其整体分布特征及其变化原因,由于信号通量和噪声通量可以用于描述理想的光束分布及扰动,近场分布信噪比能更显著地反映光束受扰动影响的程度;提出并验证了局部对比度和局部调制度的应用可行性,即能够定位近场异常区域并分析其状态演化;通过近场光束的通量统计研究了高通量点的演化过程,提供怀疑发生损伤的区域,并对高通量点与信噪比之间的指数模型提出了对比度的控制要求。研究结果为装置在高功率激光辐照下的安全运行提供了理论基础和实验支撑,提出了新的近场状态评估方法,对装置维护和运行策略调整起到一定的指导作用。

高功率激光驱动器中的若干关键工程光学问题

高功率激光装置是一个复杂的有源巨型光学工程,其性能指标要求逼近科学技术与物理极限。驱动器研制有物理设计、工程光学和结构工程设计三大过程,工程光学在其中起着重要作用。高功率激光装置工程光学设计需遵循其特有的设计原则和要点,以保证装置的高性能。根据驱动器设计指标和设计特点,从总体光学设计、光束质量控制以及光束打靶精度控制方面,综述了高功率激光装置工程光学设计中的关键科学技术问题以及相应解决方法,为未来高功率激光驱动器的发展提供必要的工程设计参考。

高功率激光装置基于靶点的同步测量技术

针对惯性约束聚变高功率激光装置对多路激光到达靶点的高精度时间同步调控需求,提出一种基于散射球的靶球同位替代的同步测量技术,该技术可有效避免由于测试点偏离靶心带来的同步测试误差。利用放置于靶场中心的散射球,将来自任一方向入射的单束紫外光近各向同性地散射到4π立体角内。采用非球面透镜结合高速光电探测技术捕获散射光,从而测得待测光束与时间参考基准的同步时间延迟。在神光II装置上开展了在线验证实验,获得基于靶点的长脉冲时间同步抖动小于1.5 ps的延时的测试结果。并离线验证了基于散射球的技术方案应用于10 ps脉宽激光束之间的同步测试可行性。该方法可为高功率激光装置长长、长短脉冲之间和皮秒激光之间的皮秒级高精度时间同步测试提供技术支持。

高功率激光系统中调制光束的复杂非线性传输效应

非线性光场增强是导致高功率激光装置终端光学元件损伤的主要原因之一。系统地研究单缺陷的精细形貌以及双缺陷的三维空间分布对调制光束的非线性演变规律的影响,发现了多种非线性传输新现象并揭示了其产生机制。仿真结果表明:边缘陡峭的单一缺陷会产生双峰热像,这打破了传统认知中缺陷和热像在纵向的共轭关系;双缺陷间的相互作用导致双缺陷中轴位置上额外热像峰的出现,打破了缺陷和热像在横向的一一对应关系。系列研究结果表明了调制光束非线性传输的复杂性,上游缺陷的精细形貌差别和相互干涉均可能使得下游产生额外的光场强区,强度得到进一步增强,最终导致基于原有关于B积分和热像认知的驱动器非线性控制策略失效。本研究结果加深了对复杂非线性光场传输规律的认知,不仅有助于优化装置中终端元件的排布,而且对高功率激光装置中大口径光学元件缺陷的精密检测和评估提出了新的要求,为高功率激光装置的终端负载能力提高提供了重要技术参考。

四程放大高功率激光驱动器动态波前模拟与实验研究

高功率激光驱动器动态波前特征及其规律是激光驱动器光束波前质量控制关键研究内容之一。以神光Ⅱ四程放大高功率激光驱动器为研究平台,使用ANSYS和Matlab对激光驱动器瞬时动态波前进行了模拟计算,并利用哈特曼波前分析仪对驱动器氙灯抽运引入的瞬时动态像差和热恢复像差进行了实验研究,得到其时空特性和变化规律。理论模拟和实验结果具有一致性,单片片状放大器动态像差峰谷(PV)值约为0.12λ(波长λ=1053nm),驱动器总体瞬时动态像差PV值约为5λ,呈"瓦片"形态。模拟计算和实验分析为神光Ⅱ四程放大高功率激光驱动器光束波前质量控制、激光发射顺利通过空间滤波器和片状放大器抽运均匀性优化等提供了重要的参考数据,提升了输出光束远场焦斑能量集中度,提高了驱动器激光发射的成功率和运行效率。

多程放大腔镜准直研究

针对高功率激光装置对多程放大器腔镜准直的要求,利用小孔的像传递和光路自动准直的原理,设计出一套创新的腔镜准直调整方法,并且在SG Ⅲ原型装置4程放大模拟实验平台上进行了实验验证。实验结果表明:自动准直系统能够在15min之内顺利完成主放大级系统的光路调整,光束近场调整精度值小于近场光斑直径的0.5%,光束远场调整精度小于0.3"。

神光Ⅱ高功率钕玻璃片状放大器接地实验研究

实验研究了高功率片状放大器不接地(悬浮状态)时感应电压的变化规律,结果表明:感应电压的大小主要受到金属腔体与氙灯之间的分布电容、放大器充电电压以及氙灯数量的影响;腔体之间不产生直接影响关系。实验研究了放大器在多种接地方式下的感应特性,提出了放大器内外腔电一体化并整体接地的接地方案,并将其成功应用到了神光Ⅱ第9路350mm片状放大器中,从根本上消除了放大器内部电击穿的可能性,并将放大器的感应电压降低到悬浮状态下的18%,提高了片状放大器运行可靠性和安全性,同时有助于改善放大器的紧凑性和洁净度。采用这种接地方案以来,350mm放大器可靠运行400多发次,未出现电击穿或干扰现象。

基于光栅色散干涉条纹的菲佐光干涉望远镜共相检测方法研究

菲佐光干涉望远镜实现高分辨率成像的关键是各子孔径之间相位平移误差的共相检测.基于物理光学基本原理,论证了两个子孔径在单色光条件下其远场干涉条纹峰值偏移量与其相位平移误差之间的近似线性关系,提出了一个波长范围内的平移误差检测方法;进而提出了基于光栅色散干涉条纹的共相检测方法,并对其可行性、检测精度和检测范围进行了理论分析与仿真实验.结果表明,该方法在原理上可以实现对两孔径的相位平移误差进行直接检测,50μm范围内平移误差的检测精度优于20 nm,解决了既有方法可能存在的2π模糊性及无法判断平移误差正负的问题.该方法为共相检测技术的进一步研究提供了新的途径和参考.

层向多层共轭自适应光学系统的模拟

单层校正自适应光学系统只能在较小视场范围内对大气湍流进行有效校正,多层共轭自适应光学技术可以突破这种限制。介绍了层向多层共轭自适应光学系统基本结构及工作原理,研究了层向多层共轭自适应光学系统的模拟,内容包括:如何产生动态大气湍流波前数据、基于四棱锥波前传感器的波前复原算法、基于模式法的变形镜闭环校正控制过程等。对单层和两层的层向共轭自适应光学系统进行了模拟仿真,仿真结果表明:层向多层共轭自适应光学系统采用了更多的导星来校正两层大气湍流,比单层校正自适应光学系统具有更大的校正视场和更好的校正效果。

考虑钕玻璃放大器增益特性的光谱色散匀滑系统性能研究

采用数值方法研究了钕玻璃放大器的增益特性对高功率激光系统中光谱色散匀滑单元性能的影响.分析结果表明,入射光中心波长与放大器增益曲线中心波长不一致时,焦斑强度分布会受到一定的影响,且该影响随放大倍数增大趋于明显,而两个波长一致时,强度分布变化较小.靶面焦斑整体的辐照均匀性则主要取决于经过相位调制后的激光束的带宽,放大器的增益特性对其空间功率谱及均匀性无明显的影响.所得结论为光谱色散匀滑单元在激光系统中的实际应用提供了重要的理论参考.

高功率激光装置中长悬臂靶架结构稳定性研究

在高功率激光装置冷冻靶系统中,靶架的细长悬臂梁结构对冷冻靶内部振源有着较大的振动响应,从而会影响装置的束靶耦合精度。针对该问题,研究了长悬臂梁的附加式减振结构,在不增加整体外形尺寸和质量的前提下,通过增加悬臂梁支撑点的方式增大结构比刚度,从而优化其振动响应特性。以美国国家点火装置(NIF)中的靶架作为研究设计主体,通过建立数学模型明确了响应函数的主要、次要影响参数;利用ANSYS有限元模拟的方法确定了重要工程参数的取值范围;通过自主搭建的实验台模拟了不同工况下的振源并对减振靶架进行测试,最佳方案中的振幅优化率为91.7%,冲击收敛时间优化率为77.1%,固有频率达到183 Hz,证明了所设计的减振结构对长悬臂梁的振动响应特性有较好的优化作用。

高速任意波形发生器数据通路的设计

针对任意波形发生器提升输出带宽和存储深度较难的问题,提出一种基于现场可编程门阵列器件的任意波形发生器数据通路设计方案。该方案利用多片同步动态随机存储器同步输出和并串转换技术提升数据通路的输出带宽和存储深度,基于Vivado平台实现波形数据的写入、读取、并串转换、成帧、8bit/10bit编码和串行化的功能,经过处理的波形数据通过现场可编程逻辑阵列的收发器以数据转换器串行传输协议输出。仿真结果表明,输出波形与写入波形存储器的波形数据经过上述数字信号处理之后的结果完全相同,验证了数据通路的正确性。实验结果表明,该数据通路实现了12GHz的采样率、16bit的垂直分辨率、4Gsa的波形存储深度。该任意波形发生器数据通路设计是有效的和可靠的。

激光等离子体不稳定性及其抑制方案研究

受激拉曼散射、受激布里渊散射等激光等离子体不稳定性(LPI)是激光等离子体物理领域最重要的研究课题之一。特别是在激光驱动的惯性约束聚变中,LPI会造成相当份额的激光能量损失,破坏辐射对称性,产生的超热电子还会预热靶丸,进而影响压缩效率和聚变能量增益。近期,在美国国家点火装置上开展的实验表明对LPI物理过程的充分理解和有效控制对成功实现ICF点火至关重要。我们对近期LPI方面的一系列研究进展进行了简单介绍与讨论。首先,回顾了描述LPI过程的三波耦合理论,由此得出了LPI在线性阶段的增长率。接着讨论了一些复杂情景下的LPI物理过程,譬如LPI的非线性发展阶段、级联LPI、多光束LPI以及LPI间的非线性耦合。最后,着重介绍了一系列抑制LPI的技术方案,包括束匀滑技术、光束时域整形、宽带激光、偏振旋转激光以及外加磁场等。