针对高功率激光装置对靶面辐照均匀性的需求，提出了一种基于宽带激光拍频的瞬时束匀滑技术。激光集束采用宽带激光，利用连续相位板对焦斑包络进行控制，并结合共轭螺旋相位板使得集束中各子束在焦平面处拍频产生旋转周期不同、位置各异的快速运动散斑。合理选择宽带光参数可使得散斑的旋转周期在皮秒至亚皮秒量级，从而达到瞬时匀滑焦斑的目的。通过建立基于宽带激光拍频的瞬时束匀滑技术物理模型，模拟分析了关键参数包括激光带宽和谱线类型对焦斑束匀滑特性的影响和规律，并与双频单色激光拍频技术作了比较分析。研究结果表明，通过合理选取光源谱线类型或增大激光带宽，所提技术可在降低系统要求的基础上增强对激光等离子体不稳定性的抑制，使焦斑实现瞬时匀滑并获得较好的均匀性。
激光光学 惯性约束聚变 束匀滑 宽带激光 激光等离子体不稳定性
Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory of High Field Laser Physics and CAS Center for Excellence in Ultra-intense Laser Science, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai, China
2 Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, China
3 Zhangjiang Laboratory, Shanghai, China
A multistep pulse compressor (MPC) based on a single-pass single-grating pair (SSGP) is proposed to simplify the entire multi-petawatt (PW) compressor. Only one grating pair with relatively long perpendicular distance is used to generate the same amount of spectral chirp compared with a four-grating main compressor. As SSGP compressor induces the largest spatial chirp, it can introduce the best beam-smoothing effect to the laser beam on the last grating. When considering the diffraction loss of only two gratings, the total compression efficiency of the SSGP compressor is even larger than that of a four-grating main compressor. Furthermore, the wavefront aberration induced by the SSGP compressor can be better compensated by using deformable mirrors; however, it is difficult or complicated to be well compensated in a four-grating compressor. Approximately 50–100 PW laser pulses can be obtained using this SSGP-based multistage-smoothing MPC with a single laser beam.
beam smoothing multistep pulse compressor petawatt single-grating-pair compressor High Power Laser Science and Engineering
2023, 11(1): 010000e4
提出了一种基于相位板旋转排布的束匀滑方案，通过在激光集束中以旋转方式排布具有旋转非对称性的相位板，为集束中各子光光束提供不同的空间相位调制，进而利用存在一定波长差的子光束在靶面的动态干涉，使得焦斑内部散斑在多方向、多维度快速扫动，从而达到在皮秒时间尺度内改善焦斑均匀性的目的。以2×2集束为例，通过建立基于相位板旋转排布的束匀滑方案物理模型，分析了相位板参数、排布方式、激光束相位畸变参数以及空间偏差对束匀滑效果的影响。结果表明，在基于相位板旋转排布的束匀滑方案中，仅需同时加工多套参数相同的相位板，即可降低相位板的设计、加工难度。此外，该方案的束匀滑效果受激光束相位畸变、相位板排布方式以及空间偏差的影响较小。
激光光学 惯性约束聚变 相位板旋转排布 束匀滑 加工难度
红外与激光工程
2020, 49(12): 20201074
强激光与粒子束
2020, 32(12): 121007
中国工程物理研究院激光聚变中心，四川 绵阳 621900
在大型激光系统的运行过程中，为了对相位畸变导致的焦斑分布不均匀进行改善，在光路通常会使用连续位相板(CPP) 来进行远场束匀滑。根据CPP 面型的随机特性，利用统计的方法对位相板与畸变波前相位的叠加特性进行了计算，系统研究了连续位相板对光束波前分布实现控制的机理。从CPP面形的概率密度与远场直方图之间的关系出发，推导了畸变波前通过CPP 后远场光强分布的表达式，从理论上解释了这种束匀滑器件的工作原理及特性。通过数值模拟计算了不同畸变光束经过CPP后的远场直方图，对结果进行比较并分析了不同面型特性对最终束匀滑效果的影响。结果证明：位相板能在焦斑光强上起到卷积滤波的作用，从而实现光束匀滑效果。从原理上解释了CPP 在具有小相关长度时具有更高匀滑效果这一特性，为实际面型设计和优化提供理论基础。另外，应用统计几何光学方法进行分析，可有效降低波前叠加分析的难度。
连续位相板 统计特性 相位叠加 束匀滑 continuous phase plate statistics character phase additive beam smoothing 红外与激光工程
2020, 49(9): 20190515
针对高功率激光装置对靶面辐照均匀性和背向散射抑制的要求,提出了一个远场束匀滑方案,该方案利用涡旋圆偏振光的干涉,实现了焦斑均匀性和偏振特性的同步调控。其基本原理是通过对宽带种子光进行选频,使激光集束内的子束出现一定波长差,并采用共轭的螺旋相位板将子光束变换成拓扑荷数相反的拉盖尔-高斯光,进而利用偏振控制器件将其分别变为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光,通过这两子束在焦面上的相干叠加即可实现焦斑局部光强和偏振的快速旋转。建立了基于涡旋圆偏振光干涉的偏振旋转物理模型,分析了焦斑的均匀性和偏振特性随子束波长组合、螺旋相位板拓扑荷数和入射激光束参数的变化规律。结果表明,通过合理选取子束波长组合,所提偏振旋转方案可实现局部光强和偏振的快速旋转,且结合传统的光谱色散匀滑方案后,可在改善靶面辐照均匀性的同时对背向散射进行有效抑制。
激光光学 惯性约束聚变 拉盖尔高斯光束 偏振旋转 束匀滑
强激光与粒子束
2020, 32(1): 011012
1 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
结合非线性强度和相位调制作用,研究束匀滑相位板整形焦光斑在焦面附近传输变换的特性。采用衍射光学理论方法来计算三维空间离焦面上的光场分布,引入光斑落点漂移和光强对称度两个指标参量来表征光斑在传输演化过程中的性能。研究分析了高通量激光辐照下非线性效应对连续相位板整形焦斑的影响,尤其是楔形透镜厚端和薄端的较大差异引起的小尺度自聚焦强度调制差异,该差异使得光斑传输至焦点后的一段距离后开始渐渐偏离光轴,同时其整体强度分布也出现不对称度偏置。结果表明,非线性强度畸变的影响远大于相位畸变的影响,在给定激光装置光路中5 GW/cm
2功率密度的入射条件下,焦点后4 mm处光斑落点漂移超过0.1 mm,光强左右不对称度偏置达到30%。
激光光学 光束合束 束匀滑 连续相位板 衍射光学 小尺度自聚焦 光学学报
2018, 38(10): 1014003
Author Affiliations
Abstract
1 Laser Fusion Research Center, China Academy of Engineering Physics, P.O. Box 919-988, Mianyang, 621900, China
2 IFSA Collaborative Innovation Center, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200240, China
The SG-Ⅲ laser facility (SG-Ⅲ) is the largest laser driver for inertial confinement fusion (ICF) researches in China, which has 48 beamlines and can deliver 180 kJ ultraviolet laser energy in 3 ns. In order to meet the requirements of precise physics experiments, some new functionalities need to be added to SG-Ⅲ and some intrinsic laser performances need upgrade. So at the end of SG-Ⅲ's engineering construction, the 2-year laser performance upgrade project started. This paper will introduce the newly added functionalities and the latest laser performance of SG-Ⅲ. With these function extensions and performance upgrade, SG-Ⅲ is now fully prepared for precise ICF experiments and solidly paves the way towards fusion ignition.
Inertial confinement fusion Inertial confinement fusion Laser driver Laser driver SG-III SG-III Power balance Power balance Beam smoothing Beam smoothing Matter and Radiation at Extremes
2017, 2(5): 243
