根据ABCD传输矩阵和Collins衍射积分公式,通过光束坐标与腔体坐标间的转换关系,推导高斯平顶光束经过透镜后,激光间接驱动聚变装置腔内不同角度横截面的光场分布解析表达式,着重分析了光束入射角对焦点处及腔内光强分布的影响。仿真结果表明:增大入射光束的入射角,焦点处的光斑光强在X轴方向受到影响,光斑沿着X方向产生一定扩散,Y轴方向上的光强分布几乎没有变化;随着光轴传输距离的增大,靶腔内横截面上的光斑直径变大,均匀性变差,而且光斑位置右偏。均匀性较好的光斑与入射角度的选取及光束传输的距离有较密切的联系。

系统地梳理了激光间接驱动点火靶内爆压缩的物理过程, 使用理论方法和一维流体力学模拟给出了靶丸内爆过程中的关键定标律公式。通过这些定标律公式获得了在给定黑腔辐射温度、飞行熵增因子、整形速度和烧蚀材料的条件下, 靶丸装量--半径参数空间的点火岛区域。研究了靶丸性能参数随辐射温度、飞行熵增因子等的变化规律: 当靶丸所处黑腔辐射温度升高时, 内爆的稳定性将变好; 设计上在靶丸装量不变的条件下, 靶丸半径需要减小。当靶丸的飞行熵增因子增大时, 内爆增益略微减小, 内爆稳定性变好; 但是点火阈值因子减小导致点火岛的区域变窄。当靶丸的整形速度增大时, 点火岛的区域略微变大, 内爆稳定性变化不显著; 设计上在靶丸装量不变的条件下, 需要增大靶丸半径, 这会导致靶丸壳层形状因子变大。当改变靶丸烧蚀材料, 提高质量烧蚀速率与烧蚀压时, 能量增益变大且稳定性增强; 设计上在靶丸装量不变的条件下, 需要减小靶丸半径。

六通黑腔是我国独立自主设计的新型激光惯性约束聚变驱动腔型。在大型激光装置上采用全束组注入方式, 首次获得了新型六通黑腔10~20倍收缩比综合内爆完整配套实验数据, 实现最高YOC2D(实验产额/二维模拟产额)达80.4%的综合内爆性能。

在神光Ⅱ升级装置上开展了首轮激光加速质子对间接驱动快点火靶内爆过程的照相实验研究。通过激光与靶参数的优化, 获得了能量高于18 MeV的质子束。通过静态客体的照相, 获得了优于20 μm的高空间分辨网格图像, 为开展时间分辨的啁啾质子照相奠定了基础。开展了质子动态照相实验, 获得了内爆压缩晚期的质子照相图像。实验发现内爆区域质子照相图像存在大量排空现象。内爆压缩区域不足以阻挡如此大范围质子束, 证明了其中存在电磁场使得质子向外排开。动态照相的质子能量较低, 分析是ns激光打靶过程产生的X射线及等离子体对质子加速存在影响。后续实验中需要进一步优化靶的屏蔽设计。

在惯性约束聚变间接驱动装置中, 针对柱形腔两端注入结构及其光路排布方案, 建立了基于束匀滑技术的激光束传输模型。在此基础上, 分析了激光集束在真空柱形腔腔壁上的辐照特性, 并根据柱形腔整体腔壁光斑排布特性, 对激光集束光路排布进行了初步优化。结果表明, 随着入射角度的增加, 激光集束在腔壁的光斑尺寸逐渐变小, 而其在腔壁上的热斑比例无明显变化, 偏振特性也基本保持一致。通过进一步分析所有激光集束在腔壁上的强度分布和热斑比例可知, 内、外环激光集束在腔壁上的交叠区域将增大局部峰值强度, 提高热斑比例。可以通过适当调节内环激光集束的焦面位置和入射角度来改善所有激光集束在腔壁上的辐照特性。

基于新建成的神光Ⅲ主机装置开展了首次激光间接驱动内爆集成实验。国内首次采用多环脉冲整形激光注入黑腔产生X光辐射驱动内爆，通过优化激光打靶参数控制驱动不对称性，演示了以惯性压缩为主、收缩比约15倍的DT靶丸内爆实验能力， 实现了准一维的高静产额(YOC)和高中子产额的物理指标；其中，真空黑腔DT靶丸最高中子产额为1.9×1012，YOC达到60%；充气黑腔DT靶丸最高中子产额为2.4×1012，YOC大约70%。该实验为未来开展多台阶整形辐射驱动、更高倍数收缩比的高压缩内爆综合实验、验证点火靶物理设计和关键调控措施有效性奠定了基础。

建立了间接驱动过程中激光组束通过透镜在黑腔柱体中传输的模型。利用柯林斯公式，将各个锥环所有激光束投射到腔壁上的所有焦斑光强进行非相干叠加，研究其光强分布。详细分析了空间相干度、透镜聚焦F 数、离焦距离对靶壁上焦斑光强分布均匀性的影响。空间相干度增大时，非相干叠加得到的亮斑光强度增大，光强起伏更剧烈，顶部光强分布均匀性变差；增大透镜聚焦F 数，焦斑光场增强，光强振荡程度加深，光场分布更不均匀；而离焦量变大时，靶腔壁上的光强度降低，其振荡程度也减弱，光强峰值差值变小，顶部光强分布变得均匀。

在惯性约束聚变装置中，激光集束在腔内的传输叠加特性对实现靶丸的有效压缩极为重要。为了更为深入地了解激光集束在腔内的传输叠加特性，针对典型的柱形腔结构及其光路排布，建立了真空腔内的光传输模型，数值模拟和讨论了多集束激光在腔内的传输叠加情况。考虑到激光束的交叉重叠会带来交叉光束能量转移、激光等离子体相互作用等问题，提出通过确定集束间相互分离的特征面位置，进而从偏振特性和热斑占比等方面对多集束激光在腔内的传输及叠加特性进行分析。结果表明，多集束激光在腔内传输时，内环集束和外环集束激光先分离，之后内环相邻集束之间和外环相邻集束之间各自分离。单端集束在腔内传输过程中，其均匀性从靶腔注入孔到腔壁的过程中呈现先变差后变好、再变差的趋势，而热斑的峰值强度随着离焦量的增加不断减小，热斑所占的面积则先增加后减小。此外，激光束在腔内传输时偏振度随腔内传输距离的大小并无明显变化。

针对间接驱动装置中球形腔结构及其光路排布，并基于光谱角色散、连续相位板(CPP)和偏振控制板联用的束匀滑方案，建立了球形腔内激光束的传输模型。由于球形腔和光路排布的高度球对称性，在对激光束经过注入孔的传输特性进行分析时，选取注入孔所在平面作为观察面，并主要对其“堵孔”问题进行分析；在对腔内的传输及腔壁的辐照特性进行分析时，选取了一系列同心球面作为观察面，以分析其均匀性。计算结果表明当不同入射角度的激光集束采用相同的CPP 设计时，随集束入射角度的增大，在注入孔处，激光的注入率降低，更易导致“堵孔”现象，但激光集束在腔内的交叉重叠会逐渐减少，其在腔壁上的光斑均匀性有所改善，且整体光斑的占空比较有所提高，更利于靶丸均匀辐照。当不同入射角度的激光集束采用不同的CPP 来优化光斑时，在注入孔的“堵孔”问题得到改善，而腔壁的占空比有所降低。在实际工作中，应综合考虑注入孔的注入率和堵孔问题、腔内的交叉、腔壁上的光斑均匀性及占空比，对球形腔中集束的入射角度进行合理设计。

基于广义惠更斯-菲涅耳衍射积分公式，推导出在激光间接驱动聚变装置腔柱内和腔柱内靶面上相干叠加的多束激光束投影焦斑光强度的解析表达式。着重分析了轴向距离、离焦量、入射角和聚焦F 数等因素对投射在腔内部横截面上的光斑光强分布的影响，以及离焦量、入射角、F 数和腔径大小对辐照在靶壁上的焦斑光强分布的影响。仿真结果表明，增大离焦量和聚焦F 数，辐照在腔柱内靶面上和垂直于腔轴切面上各投影光斑的光强变化变得平缓，且腔靶内表面上的光强分布均匀性变差，且增大聚焦F 数或增大离焦量，会使投影焦斑尺寸呈现减小的趋势。在腔壁上要获得均匀性比较好的光斑，跟腔径值和注入角度的选取有比较密切的联系。