高功率激光装置光束精密调控性能研究进展 下载: 549次
具体而言,光束精密调控的需求主要体现在三方面:首先,基于激光等离子体的相互作用控制要求,装置需具备以光束匀滑技术为特点的靶面光强精密控制能力;其次,基于内爆过程的低熵压缩和辐照对称性的要求,装置需具备脉冲精密整形能力;第三,为满足驱动器较高的输出能力和安全运行的要求,装置需具备光束近场的精密控制能力。本文以激光驱动器光束精密调控为牵引,介绍中国工程物理研究院(简称“中物院”)激光聚变研究中心近年来在靶面光强、脉冲波形、光束近场的控制以及新型光束探索方面所取得的重要进展。
激光驱动的惯性约束聚变(ICF)由20世纪60年代前苏联巴索夫院士和我国王淦昌教授所独立提出[1-2],在1972年美国Nuckolls博士发展了一套较完备的激光聚变理论体系后[3],各国便开始大力发展高功率激光技术,并诞生了多个大型激光装置,如美国国家点火装置(NIF)[4],法国兆焦耳装置(LMJ)[5]和中国神光系列装置[6],有力推动了激光聚变的研究。激光聚变的基本思想是使用激光或激光转换的X光均匀辐照装有热核燃料的靶丸,最外层的球壳被烧蚀向外运动时,内层的燃料会因为动量守恒而被压缩,当燃料的温度、密度和约束时间三项指标满足Lawson判据的要求时即能发生聚变点火。激光聚变要求驱动激光脉冲不仅有足够高的驱动能量和功率[7],同时还必须具有以时域、频域、空域、偏振为代表的光束精密调控能力,以满足点火过程的精密调控需要[8]。光束调控包含脉冲波形、靶面光强、能量和功率等方面的精确控制[9]。激光驱动器也因此发明了多种技术手段实现光束的精密调控,例如采用电光调制器实现脉冲波形的精密控制[10],采用相位调制器实现脉冲频谱的精密控制[11],采用液晶光阀实现光束近场强度的主动控制[12],采用连续相位板(CPP)实现焦斑的主动整形[13],采用光谱和偏振的控制实现光束聚焦的去相干等[14-15]。
1 靶面光强精密控制研究进展
1.1 单束靶面光强精密控制研究进展
黑腔内激光等离子体相互作用的不稳定性(LPI)是实现点火的重要风险之一,LPI效应会降低靶的激光吸收效率,改变光束功率的分配,影响辐照对称性,产生超热电子预热靶丸,从而破坏点火过程,靶面光强分布控制是ICF对高功率激光驱动器的基本要求。高功率激光装置也因此发展了多种束匀滑技术手段用于改善靶面光强的性能,它们包含以焦斑形态控制为主要目标的连续相位板(CPP)整形技术,和以光束去相干为主要目标的光谱色散匀滑(SSD)和偏振匀滑(PS)技术。经过多年发展最终形成了“CPP+SSD+PS”的靶面光强控制技术体系[16-17],如
图 1. Schematic diagram of focal-plane irradiance based on “CPP+SSD+PS” technology
Fig. 1. Schematic diagram of focal-plane irradiance based on “CPP+SSD+PS” technology
在单束靶面光强控制中,基于主机装置,国内首次建立了基于“CPP+SSD+PS”的靶面光强控制技术体系[18]。其技术路线如
图 2. Single beam smoothing technology applied to the laser facility
Fig. 2. Single beam smoothing technology applied to the laser facility
SSD技术源于装置前级,对激光放大、传输和频率转换均有重要影响,CPP和PS应用在装置后级,对终端构型、频率转换也具有重要影响,因此靶面光强控制是关联全装置的一个系统性问题。在原型装置和主机装置上,中物院激光聚变研究中心通过束匀滑技术对激光放大、频率转换、脉冲整形、光束传输和元件负载的影响研究获得了各项技术在高功率激光装置上应用的边界条件,确定了包含基频带宽不超过0.3 nm的要求,基频CPP应用范围等安全运行条件[19-20];通过对焦斑形态、焦斑微观分布、焦斑动态变化、焦斑离焦演化和激光穿孔等特性的研究获得了束匀滑技术对靶面光强控制的光学效果,如
图 3. Effect of single beam smoothing technology on the target irradiation
Fig. 3. Effect of single beam smoothing technology on the target irradiation
1.2 集束靶面光强精密控制研究进展
高功率激光装置随着激光能量需求增加,子束数目不断增多,装置因此采用集束模式平衡多光束需求和有限靶室开孔资源的矛盾。集束因子束在束靶耦合全区域交叠并与等离子体相互作用,子束叠加特性对LPI的影响至关重要[27]。为提升集束叠加光场的“去相干”程度,提出了子束独立调控的多色多频3×3阵列集束模式来改善集束束靶耦合性能[28],如
图 4. Schematic diagram of optimizing bundle output based on independent beams
Fig. 4. Schematic diagram of optimizing bundle output based on independent beams
多色多频3×3阵列集束采用不同的种子源,其叠加特性是认识该集束焦斑散斑特性的基础。基于集束实验平台,优化设计了光束和诊断的参数,获得了清晰的叠加区域的条纹,如
图 5. Characterisitcs of interference fringes in the area of focal spot superposition for bundle laser
Fig. 5. Characterisitcs of interference fringes in the area of focal spot superposition for bundle laser
LPI效应与激光散斑尺寸紧密相关,集束焦斑散斑尺寸及其空间分布特性是关联LPI与集束性能的重要纽带。在掌握了子束时间相干性规律的基础上,优化选择实验参数,通过不同形式子束的组合,开展了变子束F数和变集束F数的实验,如
图 6. Speckle distribution comparison of focal spots formed by different beams combinations: (a) and (b) have the same F number of beams but different bundle F number, (b) and (c) have the same bundle F number but different beams, F number
Fig. 6. Speckle distribution comparison of focal spots formed by different beams combinations: (a) and (b) have the same F number of beams but different bundle F number, (b) and (c) have the same bundle F number but different beams, F number
多色多频3×3阵列集束束匀滑方案,其特色体现在更多子束和多色多频SSD的独立调控,从而可创造更多套散斑非相干叠加[28]。在明确了光束叠加特性基础上,研究获得了子束优化设计的方法,并通过子束一维SSD的设计优化出了具有二维SSD效果的集束靶面光强效果。
图 7. Comparison of focal-plane irradiance distribution between single beam and 3×3 array bundle: (a) the focused single beam with a CPP, (b) the focused single beam with a CPP and SSD (c) the focused 3×3 array bundle beam with CPPs and SSD
Fig. 7. Comparison of focal-plane irradiance distribution between single beam and 3×3 array bundle: (a) the focused single beam with a CPP, (b) the focused single beam with a CPP and SSD (c) the focused 3×3 array bundle beam with CPPs and SSD
2 激光脉冲波形精密控制能力进展
2.1 激光脉冲精密整形能力研究进展
等熵压缩是ICF中心点火的物理基础,脉冲精密整形是实现等熵压缩的关键,是ICF对高功率激光驱动器的另一项基本要求[29]。高功率激光装置在发展中逐渐确定了以电光调制器为核心器件,通过电脉冲驱动实现脉冲波形精密控制的技术路线。基于原型装置和主机装置,中物院激光聚变研究中心通过对脉冲波形在光束传输、激光放大、长脉冲过孔、频率转换的变化规律的理论和实验研究,建立了一套针对靶点任意目标输出的控制模型和迭代算法,如
图 8. Schematic diagram of pulse precision shaping control principle
Fig. 8. Schematic diagram of pulse precision shaping control principle
脉冲控制模型支撑了神光系列装置近五年来任意整形脉冲的输出,支撑了装置的物理实验。尽管装置多年运行中各状态参数均发生了变化,但自适应控制模型的引入,仍可保障在半小时调试时间内实现任意整形目标的输出,
图 9. Illustration of the broad range of pulse shapes applied to physical experiments in Shenguang (SG) series facilities: (a) high-contrast shock ignition pulse shape, (b) three-steps pulse shape, (c) hohlraum constant temperature pulse shape, (d) exponential (t 4) pulse shape
Fig. 9. Illustration of the broad range of pulse shapes applied to physical experiments in Shenguang (SG) series facilities: (a) high-contrast shock ignition pulse shape, (b) three-steps pulse shape, (c) hohlraum constant temperature pulse shape, (d) exponential (t 4) pulse shape
在更大输出能力的需求下,激光放大需从现役神光系列装置的浅度饱和提升至深度饱和,它引入了更大的波形畸变,因此对脉冲精密整形提出了更大的挑战。针对新的需求,中物院激光聚变研究中心通过优化系统指标,提升单元器件的控制能力,并在单口径高通量实验平台上,考核了在点火脉冲的输出能量和功率下,500∶1的高对比度脉冲输出的性能,获得了如
图 10. Pulse control accuracy under ignition pulse output based on ITB facility
Fig. 10. Pulse control accuracy under ignition pulse output based on ITB facility
2.2 激光脉冲波形幅频效应(FM-to-AM)控制研究进展
幅频效应指的是调频到调幅转变的效应(FM-to-AM),是指经过频率调制具有一定带宽的信号,在传输过程中由于光谱畸变而出现幅度调制的现象。对激光驱动器而言,幅度调制将导致脉冲瞬时功率密度增加,增大了装置的损伤风险;对束靶耦合而言,幅度调制会增强SBS、SRS等效应,放大LPI效应,还可能造成光束辐照的瞬时不均匀性,影响压缩的对称性,因此脉冲波形的FM-to-AM过程必须得到有效控制[32-34]。
针对幅频效应的来源,中物院激光聚变研究中心在主机装置和ITB实验平台上对抑制方法进行了研究,明确了造成幅频效应的因素包括光纤系统中的群速度色散、保偏光纤中的偏振模色散、光谱带宽内的增益不均匀性、弱标准具效应、光学元件膜层透过率以及频率转换过程,并提出了“装置静态控制,光谱强度补偿”的总体控制思路。在装置静态控制方面,通过对技术路线选择(增益合理分配、大带宽增益介质的选择、减少平板元件、前端相位调制器的后移)、参数优化(滤波小孔尺寸优化、频率转换参数优化)和元器件约束(透射元件减反膜约束、低阶波片)大幅减少了装置的光谱静态畸变量;在光谱强度补偿方面,提出了采用基于高双折射保偏光纤的偏振选择滤波器自动闭环控制装置前级输出的FM-to-AM效应,采用基于双折射偏振滤波技术补偿空间光路中光谱强度畸变。偏振选择滤波器是利用偏振色散和偏振光干涉的原理,实现正弦模式的光谱补偿函数,光谱透过率中心波长和透过率深度均可进行调节[35-36]。
ITB实验平台的实现结果显示,初始基频FM-to-AM调制度为20%时,在总体控制模型下,可实现基频FM-to-AM调制度优于2%,如
图 11. Compensation effect of FM-to-AM based on birefringent polarization filtering technology: (a) pulse waveform before compensation, (b) pulse waveform after compensation
Fig. 11. Compensation effect of FM-to-AM based on birefringent polarization filtering technology: (a) pulse waveform before compensation, (b) pulse waveform after compensation
基于物理需求和驱动器对FM-to-AM性能控制的差异,中物院激光聚变研究中心进一步研究了光束远场FM-to-AM与光束近场的关系,如
图 12. (a) Schematic diagram of SSD beam focusing and (b) comparison of FM-to-AM between beam far-field and near-field for an SSD beam
Fig. 12. (a) Schematic diagram of SSD beam focusing and (b) comparison of FM-to-AM between beam far-field and near-field for an SSD beam
3 光束近场控制能力研究进展
3.1 光束近场整形控制研究进展
有效增大光束的填充因子可在确定的激光装置设计边界下,最大化装置输出能力。光束近场整形控制是提升光束填充因子的保障,它包括对光束近场边沿轮廓的控制、近场均匀性补偿以及基于抑制损伤点增长的近场遮挡。
基于神光系列装置,研究了强激光在传输放大过程中的增益不均匀性和光束传输演化特性,确定了“液晶光阀(一次整形光阑)+二次锯齿整形光阑”的技术方案实现光束近场整形控制,如
图 13. Beam shaping control diagram in near field of high power laser facility
Fig. 13. Beam shaping control diagram in near field of high power laser facility
基于光束传输规律的研究,中物院激光聚变研究中心建立了一种可实时动态调整补偿的迭代闭环模型,并在ITB平台上,对深度饱和下的点火脉冲的光束近场整形控制效果进行了实验考核,实现了光束近场边沿轮廓的控制、近场均匀性控制和损伤点遮挡的功能。获得了基频和三倍频光束近场如
图 14. Near-field beam profiles of measurement: (a) 1ω laser and (b) 3ω laser at ignition pulse output based on ITB facility, (c) and (d) are the probability density functions of the fluence for (a) and (b) respectively
Fig. 14. Near-field beam profiles of measurement: (a) 1ω laser and (b) 3ω laser at ignition pulse output based on ITB facility, (c) and (d) are the probability density functions of the fluence for (a) and (b) respectively
3.2 光束近场分裂及“热像”控制的研究进展
强激光传输的非线性效应控制是光束近场控制中另一个非常重要的问题,它限制了装置最大输出功率。针对噪声的来源不同,强激光传输问题包含起源于噪声的小尺度自聚焦和起源于元件缺陷的“热像”效应。
针对小尺度自聚焦,1966年由Bespalov和Talanov提出的基于平面波微扰的B-T理论是高功率固体激光装置的重要设计判据[39]。但B积分的判据主要解决的是单波长效应[40-43],高功率激光装置的三倍频段存在三种光束波长,每种光场都会对介质的折射率改变产生影响从而影响整体的折射率分布,多种波长的光在传输过程中相互作用和影响,使得光传输规律非常复杂。美国利弗莫尔实验室(LLNL)在终端构型优化设计中首次指出了复合波长下互相位调制作用将对小尺度自聚焦产生影响,但研究是仅限于数值模拟,并没有对互相位调制的影响机制进行阐述[44-45]。从三波耦合方程的基本理论出发,中物院激光聚变研究中心首次获得了强激光复合波长小尺度自聚焦的传输理论解[46],如
图 15. Square of nonlinear spatial spectrum′s gain for high-power lasers with two-wavelengths
Fig. 15. Square of nonlinear spatial spectrum′s gain for high-power lasers with two-wavelengths
进一步研究了复合波长强激光传输中光场的空间演化规律,结果表明复合波长强激光在传输过程中的光强分布有自相似解,且峰谷结构完全重合,如
图 16. (a) Schematic diagram of nonlinear propagation of two-wavelength beams in medium and (b) intensity lineout across the output near-field image of the two-wavelength beams
Fig. 16. (a) Schematic diagram of nonlinear propagation of two-wavelength beams in medium and (b) intensity lineout across the output near-field image of the two-wavelength beams
在“热像”效应的控制方面,由于“热像”造成是高功率固体激光装置光学元件损伤的一个重要的物理机制[47-48],且位相缺陷特征信息是决定热斑位置和强度的关键量,因而必须对大口径光学元件上的位相缺陷进行全面检测。为了兼顾光学元件位相缺陷检测的精度和效率,中物院激光聚变研究中心确定了基于线扫描微分成像的“粗检”和相移衍射干涉成像的“精检”相结合的总体技术路线[49-50],研制成功国内首台大口径光学元件全自动位相缺陷检测设备,如
图 17. (a) Phase defect detection platform and (b) typical detection data
Fig. 17. (a) Phase defect detection platform and (b) typical detection data
在ITB实验平台上,对光学元件热像损伤的全控制流程进行了实验验证。在如
图 18. Intense laser propagation characteristics introduced by phase defect point
Fig. 18. Intense laser propagation characteristics introduced by phase defect point
4 新型光束控制技术研究进展
4.1 异型焦斑在间接驱动中的应用研究
激光聚变的间接驱动中,高功率激光需通过黑腔注入口(LEH)传输到腔壁并转换成驱动靶丸内爆的X射线。黑腔内多光束LPI效应的物理过程非常复杂,单纯地控制激光某些参数达不到整体最优效果[8, 52]。如
图 19. (a) Approximation of beam propagation in hohlraum. (b) Two overlapped beams pass through the LEH and reach the hohlraum wall (Beam overlapping volume is emphasized with dark color)
Fig. 19. (a) Approximation of beam propagation in hohlraum. (b) Two overlapped beams pass through the LEH and reach the hohlraum wall (Beam overlapping volume is emphasized with dark color)
基于对激光穿孔受限条件的综合分析,并结合激光注入黑腔的几何结构模型,中物院激光聚变研究中心李平等人提出了异型焦斑用于平衡单束LPI效应和多光束交叠问题[53]。异型焦斑的设计思想如
图 20. Some focal spots, including circular spot, elliptical spot and special shape spot, are proposed to reduce the degree of beam overlap. The dashed circle shows the maximal area limited by LEH
Fig. 20. Some focal spots, including circular spot, elliptical spot and special shape spot, are proposed to reduce the degree of beam overlap. The dashed circle shows the maximal area limited by LEH
通过CPP的理论研究和数值模拟分析进一步研究了异型焦斑的技术可行性[54]。如
图 21. (a) The designed CPP that produces a super-Gaussian of order sg=6 with special laser spot in the far field. (b) Speckled far-field intensity patterns produced by the full aperture illumination of the CPP
Fig. 21. (a) The designed CPP that produces a super-Gaussian of order sg=6 with special laser spot in the far field. (b) Speckled far-field intensity patterns produced by the full aperture illumination of the CPP
4.2 新型偏振匀滑技术及其性能研究
偏振匀滑是作为一种瞬时匀滑技术,对改善靶面光强性能,缓解LPI效应有非常明显的作用,目前已广泛应用于各类大型激光装置。中物院激光聚变研究中心李平等人研究了光束偏振空间分布和焦斑匀滑效果间的理论关系,建立了焦斑全频段匀滑的光束偏振分布理论模型[55-56],模型指出传统楔板晶体获得的两种正交偏振态的光斑图样相同,不能对整个空间频谱进行匀滑,要实现焦斑空间频率的全域优化,需满足光束偏振态在空间上具有随机分布的特点。同时LPI的模拟计算也显示,在复杂的黑腔等离子体状态下,光束不同偏振态非线性过程的阈值并不相同,这表明了精密控制光束在空间上的偏振分布有利于改善LPI性能,理论模型为偏振匀滑的优化设计提供了指导。
在创造光束偏振态随机分布的方式上,根据单轴晶体对线偏振光的偏振特性的影响规律,提出了采用单轴晶体对入射光的角度不同而产生不同相移的方法,实现两种正交偏振态在靶点的分离,它可通过设计偏振元件的面形分布,来全频域降低焦斑空间频率。
图 22. Polarization distribution of beam passing through polarization plate. (a) wedge polarization crystal, (b) crystal with random phase distribution
Fig. 22. Polarization distribution of beam passing through polarization plate. (a) wedge polarization crystal, (b) crystal with random phase distribution
在实现方法上,提出了偏振匀滑和焦斑整形相互耦合的方法,即采用晶轴与光轴成45°角的晶体作为CPP的材料,此时CPP的面形既作为整形焦斑的面形,又承担引入激光不同入射角的功能来实现偏振匀滑,因而焦斑整形和偏振匀滑在物理图像上集成于同一光学元件。偏振匀滑对应焦斑性能效果如
图 23. Focal spot PSDs corresponding to different polarization smoothing
Fig. 23. Focal spot PSDs corresponding to different polarization smoothing
5 结 论
激光ICF要求驱动激光脉冲有足够高的能量和功率,同时还要求具有以时域、频域、空域、偏振为代表的光束精密调控能力。基于神光系列装置,并展望未来ICF的需求,中物院激光聚变中心开展了完整的光束精密调控性能研究,近年来已在靶面光强控制、脉冲波形控制、光束近场控制等方面取得了重要进展,光束输出性能已经达到了国际先进水平,支撑了两大装置数千发装置的物理实验。在NIF攻关面临困难的条件下,结合物理需求的新型光束的探索是一个重要的研究方向,中物院激光聚变研究中心还将继续研究开发精度更高、灵活性更强的新型光束控制技术,支撑激光聚变事业向前发展。
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