1 引言

作为惯性约束聚变(ICF)物理研究的一种重要手段,高功率激光驱动器技术得到了迅速发展。相关国家进行了大量研究。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)依次建成了Janus、Nova、Beamlet等激光装置,分别用于聚变模拟代码改进、大口径光学元件设计、非线性光学效应评估等 ^{[ 1 ]} 。2009年,美国国家点火装置(NIF)研制完成,成为目前世界上输出能力最强、规模最大的激光装置,其192路激光可输出的三倍频(3 ω , ω 为入射光频率)激光总能量为1.8 MJ,峰值功率达到500 TW,通量密度接近7 J·cm ^-2 。日本及部分欧洲国家也开展了相应研究 ^{[ 2 - 4 ]} 。

随着激光驱动器输出能力的不断提高,3 ω 激光损伤逐渐成为制约激光器能力提升的重要障碍之一。研究表明,在高通量状态下,激光放大过程引起的波前畸变会影响基频近场均匀性 ^{[ 5 - 6 ]} ,不可避免地造成3 ω 近场通量对比度的恶化;污染物、喷溅物等小尺度振幅型物体造成的下游光束局部强度调制,可能诱发小尺度自聚焦等非线性过程的产生,进而导致光束局部调制增强 ^{[ 7 ]} ;光学元件在加工过程中存在的应力、表面疵病、亚表面缺陷,以及特定加工工艺带来的周期性结构等相位型缺陷在某些特殊的传输距离上会产生较强的3 ω 强度调制 ^{[ 8 - 9 ]} 。随着通量密度的不断提高,上述因素将成为3 ω 激光损伤的重要诱因,并严重制约远场聚焦能力和系统负载能力的进一步提升。1996年,美国LLNL在Beamlet装置上研发了一种焦平面诊断(FPD)系统 ^{[ 10 ]} ,2007年,美国LLNL完成了NIF的3 ω 激光参数精密诊断系统的研制。国内神光Ⅲ装置的3 ω 激光参数精密诊断系统采用了一种平行光束分光取样衰减测量方案 ^{[ 11 - 12 ]} ,但该方案未对终端光学系统的焦平面以及3 ω 近场面进行有效成像,其3 ω 远场焦斑诊断系统采用椭球面作为成像系统 ^{[ 13 ]} ,其高通量实验数据未见报道。2015年,神光Ⅱ驱动器升级装置的3 ω 激光参数精密诊断系统(PDS)研制完成 ^{[ 14 ]} ,升级系统第二路的3 ω 近远场得到有效采集。

为了进行高通量激光物理实验,上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室搭建了四程腔放加助推放大激光驱动器(类NIF激光驱动器)。目前,其单路激光基频最大输出通量密度达到19.4 J·cm ^-2 ,受限于光学元件损伤等因素,3 ω 激光通量密度局限于3~4 J·cm ^-2 。基于该类NIF激光驱动器,利用神光Ⅱ驱动器升级装置的3 ω 激光参数精密诊断系统对通量密度大于2 J·cm ^-2 的3 ω 脉冲的空间和时间参数进行了综合测试。利用3 ω 脉冲的空间参数测量数据,对高通量运行状态下终端光学系统的远场聚焦能力和近场传输调制特性进行了研究。

2 神光Ⅱ驱动器升级装置的3 ω 激光参数精密诊断系统

神光Ⅱ驱动器升级装置的3 ω 激光参数精密诊断系统主体部分由终端光学系统和Cassegrain成像系统组成。终端光学系统 ^{[ 7 ]} 如 图1 所示,由连续相位板、基频窗口、倍频器、楔形透镜、光束取样光栅(BSG)、主碎片防护板和次碎片防护板组成,通过Ⅰ+Ⅱ类磷酸二氢钾(KDP)晶体进行谐波转换,而后由楔形透镜实现聚焦与色分离,楔形透镜焦距 f 为4500 mm, F 数约为14.5。

图 1. 神光Ⅱ升级装置终端光学系统示意图 [ 7 ]

Fig. 1. Diagram of terminal optical system of SGII-upgraded facility [ 7 ]

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利用由三块不镀膜的球面反射镜(M1、M2、M3)组成的折叠式Cassegrain反射成像系统对终端光学系统焦平面附近的区域进行精确成像,以实现3 ω 脉冲近场和远场参数的测量。该成像系统与终端光学系统共焦,如 图2 所示,其中 R 为曲率半径。在反射式成像系统的末段光路中插入5块取样镜进行分光,分别实现远场、全口径近场、高分辨率近场、能量以及时间波形的测量。

利用上述精密诊断系统测量了神光Ⅱ驱动器升级装置第二路的3 ω 近远场,并对成像系统的品质因子进行了标定,其品质因子约为84%,能量集中于3.8倍衍射极限(3.8DL),即351 nm处 ^{[ 14 ]} 。

3 实验结果及分析

3.1 远场测量结果

实验过程中,利用导光反射镜将四程腔放加助推放大激光驱动器的基频脉冲导入3 ω 激光参数精密诊断系统中。使用16 bit图像传感器(CCD)对3 ω 远场焦斑进行采集。如 图3 所示,3 ω 远场焦斑的约80%能量集中在21DL内。

图 2. 神光II驱动器升级装置3 ω 激光参数精密诊断系统。(a)示意图;(b)光路排布

Fig. 2. 3 ω laser-parameter precision diagnostic system of SGII-upgraded facility. (a) Diagram; (b) optical path arrangement

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图 3. 类NIF驱动器的3 ω 远场焦斑。(a)强度分布;(b)环围能量积分图

Fig. 3. 3 ω far-field focal spot of high power driver similar to NIF. (a) Distribution of intensity; (b) encircled-energy integral diagram

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图 4. 3 ω 激光脉冲通量密度为2 J·cm -2 时的基频远场焦斑。(a)强度分布;(b)环围能量积分图

Fig. 4. 1 ω far-field focal spot when flux density of 3 ω laser pulse is 2 J·cm -2 . (a) Distribution of intensity; (b) encircled-energy integral diagram

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考虑到成像系统品质因子约为3.8DL ^{[ 14 ]} ,故系统误差对测量结果的影响可以忽略。实验数据表明,当3 ω 激光脉冲通量密度约为2 J·cm ^-2 时,对应的基频远场焦斑约80%能量集中在10.8DL以内,如 图4 所示。在基频焦斑测量过程中,过高的衰减片倍率导致基频远场焦斑光强峰值灰度仅为400左右,测量结果劣于真值。在实际工程中,3 ω 焦斑衍射极限倍数未明显超出基频焦斑衍射极限倍数的3倍,即认为诊断系统不存在明显像差。因此,3 ω 激光参数诊断系统获得的远场焦斑真实可信。

3.2 近场测量结果

3 ω 近场是衡量脉冲光束质量的重要指标之一,在一定程度上与石英元件的损伤特性相关。实验中,利用30倍缩束系统采集3 ω 脉冲的全口径近场数据。 图5 (a)为平均通量密度约为2 J·cm ^-2 的3 ω 脉冲的近场分布,取绿色方框内区域(方框边长长度为全口径边长长度的84%),其通量对比度约为0.35,调制度约为2.48。

图 5. 近场测量结果。(a) 3 ω 脉冲全口径近场数据; (b)终端光学系统焦平面上的3 ω 模拟光远场焦斑; (c)局部区域高分辨率近场数据

Fig. 5. Near-field measurement results. (a) Full-diameter near-field data of 3 ω pulse; (b) simulated far-field focal spot of 3 ω pulse at focal plane of terminal optical system; (c) high resolution near-field data in local area

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图 6. 楔形聚焦透镜局部区域干涉仪波前

Fig. 6. Interferometer wavefront of local areas of wedged focus lens

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测量过程中发现,近场数据在水平方向上存在周期性的强度调制,这与 图5 (b)所示的终端光学系统焦平面上的3 ω 模拟光远场分布吻合,但调制周期接近全口径近场数据分辨极限。为进一步确认该周期结构,采用缩束比为1∶6的高分辨率局部区域近场测试功能设计实验装置,所得局部区域[ 图5 (a)所示红色方框区域]的测试数据如 图5 (c)所示。根据CCD像面尺寸和缩束比计算可得,像面周期尺度约为160 μm,即物方周期尺度约为960 μm,调制周期与BSG表面所观测到的损伤形貌周期高度吻合。利用高分辨率干涉仪得到楔形透镜透射波前,楔形透镜的相位型周期结构清晰可见,其功率谱峰值出现在一个调制周期处,与高分辨率近场数据吻合,如 图6 所示,可以发现楔形透镜引入了该周期结构。

对楔形透镜相位型周期结构所诱发的3 ω 近场传输调制特性进行了进一步分析。根据干涉仪得到的楔形透镜波前数据,利用单振幅平面波作为初始条件,模拟了同等周期结构在近泰伯距离位置对3 ω 近场的调制情况,如 图7 所示。如 图7 (a)所示,调制度仅为0.3,不足以引起3 ω 近场后续传输的强度调制。但如 图7 (b)所示,近场光强强区峰值点的强度是均值(红线所示位置,约为1860 J)的2倍以上,足以影响后续石英元件的安全运行。其偏差在于模拟过程中未考虑基频近场强度调制与波前信息,该现象的物理机制有待进一步研究。

图 7. 相位型周期结构对3 ω 近场强度调制的影响。(a)模拟结果;(b)实际测量结果

Fig. 7. Influences of phase-type periodic structure on 3 ω near-field intensity modulation. (a) Simulated result; (b) actual measurement result

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3.3 时间波形测量结果

方波脉冲有利于高通量状态下高效3 ω 过程以及近场传输与演化的研究,本次实验均采用3 ns方波。使用示波器(WaveRunner 610zi, LeCroy公司,美国)进行测量,平顶区域平均电压为1.8 V,起伏约为0.2 V,得到的3 ω 时间波形形态良好。实验所用方波接近3 ns理想方波,结果如 图8 所示。

图 8. 时间波形

Fig. 8. Temporal waveform

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4 结论

在前期工作的基础上,进一步完善了神光Ⅱ升级装置的3 ω 激光参数精密诊断系统的功能。利用该系统获得了类NIF激光驱动器在较高通量密度工作状态下的3 ω 近场和远场焦斑数据。利用远场品质因子为3.8DL的成像系统测量发现,1853 J的3 ω 脉冲远场焦斑约80%能量集中在21DL以内,与对应的基频远场能量集中度较吻合。获得了全口径低分辨率3 ω 近场数据,分析结果显示,3 ω 近场通量对比度约为0.35,3 ω 近场较基频近场有一定程度的恶化。设计了分辨率接近250 μm 的高分辨率近场测量功能,通过局部区域高分辨率近场测量数据发现,楔形透镜透射波前引入了周期约为1 mm、深度约为7 nm的相位型周期结构。该结构是引起3 ω 激光近场调制增强的重要原因之一,实验数据与结论对高功率激光装置高通量运行状态下的后续改进具有重要的指导意义。