張 銳 王建軍 粟敬欽 劉蘭琴 鄧青華(中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心,綿陽(yáng) 621900)

基于線性調(diào)頻脈沖的光譜色散平滑技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究＊

張 銳?王建軍 粟敬欽 劉蘭琴 鄧青華
(中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心,綿陽(yáng) 621900)

(2009年2月18日收到;2009年6月8日收到修改稿)

在激光驅(qū)動(dòng)慣性約束聚變研究中,束靶高效耦合依賴于采用合適的束勻滑措施.目前,結(jié)合光譜色散平滑(smoothing by spectral dispersion,簡(jiǎn)稱SSD)、相位板和光束疊加的技術(shù)是固體激光驅(qū)動(dòng)器采用的主流束勻滑技術(shù).瞄準(zhǔn)間接驅(qū)動(dòng),實(shí)驗(yàn)研究了一套基于線性調(diào)頻脈沖的SSD技術(shù).在采用該技術(shù)后,遠(yuǎn)場(chǎng)色散方向上的高頻調(diào)制得到了勻滑,色散后的近場(chǎng)也得到了勻滑.測(cè)量得到的光譜結(jié)構(gòu)與理論模擬接近.該方法不需要相位調(diào)制器,而這類(lèi)器件在傳統(tǒng)SSD技術(shù)中是一個(gè)關(guān)鍵器件.

遠(yuǎn)場(chǎng),近場(chǎng),光譜色散平滑,慣性約束聚變

PACC:4280F,4281,4260K,5255M

1.引言

大于10μm的靶面高頻光強(qiáng)調(diào)制容易引起等離子體成絲,是進(jìn)洞條件下間接驅(qū)動(dòng)束平滑作用的主要目標(biāo).光譜色散平滑(SSD)的概念起先由羅徹斯特大學(xué)的Skupsky等[1]提出,后來(lái)美國(guó)的OMEGA升級(jí)裝置和國(guó)家點(diǎn)火裝置(national ignition facility,簡(jiǎn)稱N IF)相繼采用了該技術(shù).該技術(shù)可在相位板基礎(chǔ)上對(duì)靶面光束進(jìn)行時(shí)域平滑.其優(yōu)點(diǎn)是在光柵的像傳遞面上只有位相發(fā)生改變,而近場(chǎng)保持不變,因此避免了自聚焦和非線性光譜展寬等可能限制高功率玻璃激光裝置放大的因素.它的另一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)高效三倍頻.由于一維SSD不足以實(shí)現(xiàn)允許的發(fā)散角內(nèi)的束平滑,研究人員又提出在兩個(gè)正交方向上加入光譜角色散的二維SSD方案[2].經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化,標(biāo)準(zhǔn)二維SSD中的第一塊光柵被去掉,調(diào)制器間的兩塊光柵合成一個(gè)旋轉(zhuǎn)了一定角度的光柵.2002年,Miyaji和Miyanaga等[3]采用三方向光譜角色散來(lái)降低二維SSD中不可避免的相干斑現(xiàn)象,輻照均勻性進(jìn)一步獲得提高,但結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜.目前,二維和三方向SSD技術(shù)主要用于對(duì)靶面輻照均勻性要求較高的直接驅(qū)動(dòng)中.對(duì)間接驅(qū)動(dòng),目前主要的驅(qū)動(dòng)器研究者仍以采用一維SSD技術(shù)為主.對(duì)于一維SSD技術(shù),其關(guān)鍵又在于產(chǎn)生具有可滿足束勻滑需要的帶寬且時(shí)間平滑的調(diào)頻脈沖.目前國(guó)際上主要采用微波驅(qū)動(dòng)的相位調(diào)制器來(lái)產(chǎn)生調(diào)頻脈沖,這其中典型的包括美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置[4]和法國(guó)兆焦耳激光裝置[5]所采用的波導(dǎo)相位調(diào)制器,以及美國(guó)水星Mercury裝置采用的體相位調(diào)制器[6].但這種方案對(duì)脈沖放大過(guò)程中由于光譜缺失會(huì)產(chǎn)生調(diào)頻到調(diào)幅的轉(zhuǎn)變,即FM-to-AM效應(yīng)[7],對(duì)這種現(xiàn)象的控制要采取復(fù)雜的系統(tǒng)的控制.國(guó)內(nèi),2006年江秀娟等[8,9]用數(shù)值方法研究了激光驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)中使用正弦調(diào)頻脈沖光譜色散平滑技術(shù)后光束的衍射特性,模擬結(jié)果表明,光譜色散會(huì)使光束衍射光斑變大,近場(chǎng)空間強(qiáng)度均勻性改善,而遠(yuǎn)場(chǎng)光斑內(nèi)部存在光強(qiáng)接近于均勻分布的區(qū)域.

2.理論模型

由正弦調(diào)頻脈沖的SSD理論,可以推導(dǎo)出基于周期性啁啾脈沖的SSD理論[11](見(jiàn)圖1).建立脈沖堆積模型時(shí),用振幅疊加求合成電場(chǎng)

其中n為堆積脈沖數(shù),αk是第k個(gè)啁啾脈沖的強(qiáng)度調(diào)制因子,r是脈沖重疊因子,b是輸入脈沖啁啾參數(shù),有關(guān)系

圖1 基于線性調(diào)頻脈沖的光譜色散平滑技術(shù)示意圖

由此得到光柵后的電場(chǎng)為

光束截面上的頻率變化可以理解為截面不同部位時(shí)間延遲不同而引起的.由(2)式,總時(shí)間延遲與光柵色散和光束口徑D成正比.將Y前因子定義為

得到

色循環(huán)數(shù)這里定義為

(1) 使傳統(tǒng)電源盈利能力下降。新能源發(fā)電搶占了原屬傳統(tǒng)電源的發(fā)電份額,占比不斷提高,直接影響了火電設(shè)備的發(fā)電利用小時(shí),使得火電的投資額呈下降態(tài)勢(shì),進(jìn)而使得一些發(fā)電廠的利潤(rùn)減少,甚至無(wú)法盈利出現(xiàn)虧本現(xiàn)象。

可以通過(guò)圖2對(duì)此進(jìn)行理解.

圖2 色循環(huán)數(shù)的定義 Nc=1的情況

3.實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)的主要目的是考核線性調(diào)頻脈沖色散后的近場(chǎng)和焦斑的基本勻滑規(guī)律.實(shí)驗(yàn)光路如圖3所示.采用的閃耀光柵刻線密度為883 l/mm,閃耀角為27.7°.取得的主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下.

3.1.遠(yuǎn)場(chǎng)

采用的科學(xué)級(jí)CCD像元尺寸為24μm×24 μm,包含512×512像素,圖像水平寬度為12.288 mm.在采集圖4(c)和(d)時(shí)在1/4波片后插入了一塊相位片來(lái)引入波前畸變,以模擬高功率激光裝置中釹玻璃帶來(lái)的波前畸變.

圖3 基于線性調(diào)頻脈沖的光譜色散平滑臺(tái)面實(shí)驗(yàn)光路圖

圖4 科學(xué)級(jí)CCD采集到的堆積脈沖時(shí)間積分遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑 (a)不加波前畸變、不加光柵色散時(shí)的焦斑,(b)不加波前畸變、加光柵色散時(shí)的焦斑,(c)加波前畸變、不加光柵時(shí)的遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑,(d)加波前畸變、加光柵時(shí)的遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑

圖4驗(yàn)證了閃耀光柵Littrow角應(yīng)用下的光譜角色散結(jié)構(gòu),得到了一維掃動(dòng)的束平滑焦斑.在掃動(dòng)方向焦斑高頻調(diào)制得到了勻滑.與之垂直方向上勻滑需要在該維度內(nèi)引入光譜角色散.圖5給出了在原型裝置光路參數(shù)下,帶入一發(fā)動(dòng)態(tài)波前畸變得到的焦斑和相應(yīng)的插入883 l/mm閃耀光柵后的時(shí)間積分焦斑.可見(jiàn),在小的拉伸量下焦斑色散方向得到了非常光滑的分布.

3.2.近場(chǎng)

圖5 在原型裝置條件下模擬得到的焦斑分布 (a)不加光柵色散,(b)加光柵色散

圖6 在傳輸1 m處用科學(xué)級(jí)CCD測(cè)得的近場(chǎng)分布 (a)加光柵前,(b)加光柵后

在光柵色散后1 m、偏振片輸出后30 cm處用512×512像素科學(xué)級(jí)CCD觸發(fā)采集測(cè)得的近場(chǎng)分布如圖6所示.由圖6可知周期性啁啾脈沖作光譜角色散后近場(chǎng)均勻性有很大改善.近場(chǎng)調(diào)制度由加光柵前的M=2.33下降到加光柵后的M=1.45,對(duì)比度由C=0.3下降到C=0.167.圖7給出了數(shù)值模擬下徑向光譜角色散對(duì)灰塵點(diǎn)的影響,由圖7可知近場(chǎng)色散方向上的中高頻調(diào)制得到了勻滑,這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致.說(shuō)明光束近場(chǎng)“運(yùn)動(dòng)”的確可以在時(shí)間積分效果上消除高頻調(diào)制,從而減輕近場(chǎng)不均勻?qū)Ψ糯笃麾S玻璃片的積累損傷風(fēng)險(xiǎn),提高裝置負(fù)載.

圖7 返回光傳輸1 m處灰塵點(diǎn)附近的通量分布 (a)不加色散時(shí),(b)加色散時(shí)

3.3.時(shí)間波形

時(shí)間波形采用Tektronix光電探測(cè)器SD-43加6 GHz采樣精度的LeCroy示波器測(cè)得(見(jiàn)圖8).圖8說(shuō)明周期性啁啾脈沖作光譜角色散后在空間點(diǎn)局部位置用光纖取樣測(cè)得的時(shí)間波形與色散前波形沒(méi)有差異.

圖8 加光柵色散前和色散后的時(shí)間波形對(duì)比 (a)色散前, (b)色散后

3.4.光譜

目前對(duì)單次脈沖光譜的測(cè)量分辨率仍然受到測(cè)量工具的限制,而對(duì)高重頻信號(hào)則可以達(dá)到較高的光譜分辨率.實(shí)驗(yàn)中采用掃描光纖光譜儀ADVANTESTQ8347測(cè)量,光譜儀的分辨率帶寬為0.01 nm,波長(zhǎng)精度為0.002 nm.測(cè)量得到的32路堆積脈沖光譜如圖9所示.得到的結(jié)果中心波長(zhǎng)為1053.55 nm,光譜半高寬為0.85 nm.圖9(b)給出了32個(gè)啁啾脈沖堆積得到的線性調(diào)頻脈沖的光譜,高斯型包絡(luò)下的頻率梳的周期在0.05 nm附近.更精細(xì)的間隔200 ps的兩個(gè)半高全寬140 ps的啁啾脈沖堆積實(shí)驗(yàn)表明理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常接近,梳狀譜的間隔都是20 pm.

圖9 光纖光譜儀測(cè)得的32路堆積脈沖光譜和模擬結(jié)果(a)光譜測(cè)得結(jié)果,(b)模擬結(jié)果

4.加連續(xù)相位板時(shí)的遠(yuǎn)場(chǎng)分布模擬

為了進(jìn)一步改善靶面輻照均勻性,可以在終端光學(xué)組件中插入連續(xù)相位板(CPP),來(lái)與線性調(diào)頻脈沖和光譜角色散一同作用.設(shè)計(jì)了初步的CPP,可以通過(guò)濕法刻蝕來(lái)加工得到.圖10給出了單獨(dú)采用CPP時(shí)得到的時(shí)間積分焦斑和采用線性調(diào)頻脈沖、光譜角色散和CPP時(shí)得到的時(shí)間積分焦斑,二者均未考慮主放的波前畸變.采用的計(jì)算參數(shù)如下:空間點(diǎn)512×512,時(shí)間切片為1 ps,焦距為4 m,2個(gè)啁啾脈沖堆積,單個(gè)啁啾脈沖的半高全寬tFWHM=100 ps,色循環(huán)數(shù)Nc取0.5.

5.結(jié)論

圖10 采用線性調(diào)頻脈沖掃頻前和掃頻后的時(shí)間積分焦斑分布 (a)掃頻前,(b)掃頻后

在間接驅(qū)動(dòng)中,為了提高靶腔注入率,需要焦斑有高的能量集中度、低旁瓣,同時(shí)具有束勻滑的功能,從而抑制成絲.這里通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了一套基于線性調(diào)頻脈沖的SSD技術(shù).實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)在于獲得線性調(diào)頻脈沖,解決的思路是通過(guò)對(duì)光纖鎖模振蕩器產(chǎn)生的種子脈沖進(jìn)行脈沖選擇和利用啁啾光纖光柵進(jìn)行脈沖展寬,得到了頻率和時(shí)間滿足線性關(guān)系的調(diào)頻脈沖,再對(duì)這樣的基元脈沖進(jìn)行堆積獲得了激光驅(qū)動(dòng)器需要的納秒級(jí)任意整形脈沖.從實(shí)驗(yàn)上觀察到線性調(diào)頻脈沖進(jìn)行光譜角色散后對(duì)近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)都有束勻滑效果,為采用這種技術(shù)進(jìn)行靶面均勻輻照和提高裝置負(fù)載能力奠定了基礎(chǔ).為了更有效地控制靶面光強(qiáng)分布,需要綜合使用時(shí)域和空域束平滑技術(shù),其中不能由相位板控制的一類(lèi)高頻調(diào)制在采用線性調(diào)頻脈沖光譜角色散后可以得到平滑.與國(guó)外傳統(tǒng)技術(shù)相比,無(wú)需相位調(diào)制器,易于獲得寬帶光和光學(xué)任意整形是這套SS D技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)所在.

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PACC:4280F,4281,4260K,5255M

Exper imental study on smoothing by spectral dispersion using linear frequency-modulated pulse＊

Zhang Rui?Wang Jian-Jun Su Jing-Qin Liu Lan-Qin Deng Qing-Hua

(Research Center of Laser Fusion,China Academy of Engineering Physics,M ianyang 621900,China)

18 February 2009;revised manuscript

8 June 2009)

Precise physical experiments place strict requirements on target illumination uniformity in inertial confinement fusion research.Currently,the main stream of beam smoothing technology adopted in solid-state laser driver combines smoothing by spectral dispersion(SSD),phase plate and beam overlapping.A new smoothing method aimed at indirect-drive laser fusion is studied here,which uses linearly modulated light and angular spectral dispersion.After using this technique, high frequency modulations on the far field could be smoothed.In the meantime,near field after the dispersion grating could be smoothed too.Experimental results show that the measured spectrum is similar to the simulated one.Phase modulator is not necessary in thismethod,while it is a crucial element in traditional SSD method.

far field,near field,smoothing by spectral dispersion,inertial confinement fusion

＊國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):60878058)資助的課題.

?E-mail:zrsnowmanzr@hotmail.com

＊Project supported by the NationalNatural Science Foundation of China(GrantNo.60878058).

?E-mail:zrsnowmanzr@hotmail.com