ICF装置中的新型光场调控方法——光强分布和偏振同时快速旋转

封面文章|黄媛,张寅瑞,钟哲强,张彬,孙年春. 基于涡旋圆偏振光干涉的偏振快速旋转束匀滑方案[J].中国激光,2020,47(09):0905002

激光驱动的惯性约束聚变(ICF)装置对靶面的辐照均匀性要求极高,然而因为激光内部子光束之间相互干涉,远场焦斑内部存在大量散斑,进而产生成丝、受激背向散射等各种非线性不稳定效应。受激背向散射是指激光与等离子体相互作用过程中,部分光沿着激光路径相反方向逃逸出黑腔。该效应主要包括受激拉曼散射(SRS)和受激布里渊散射(SBS),会降低激光能量利用率,并对“点火”过程造成破坏。

研究发现,通过对入射光场偏振态的快速调控,可以破坏背向散射增长路径,从而实现背向散射的有效抑制。这不但能有效解决ICF背向散射的问题,更在激光与物质相互作用中有诸多潜在应用。

四川大学张彬教授团队提出了一种偏振快速旋转匀滑方案,该方案通过对激光集束的空间位相、光谱和偏振的综合调控,将各个子束变换成拓扑荷数异号、偏振方向的涡旋圆偏振光,进而利用存在频差子束间的拍频效应使得焦斑的光强分布和偏振均快速旋转。光强分布的快速旋转能够有效地改善激光辐照均匀性,而偏振的快速旋转则能显著地抑制受激背向散射。

该偏振快速旋转方案采用螺旋位相板(SPP)将集束中的子束变换成拓扑荷数异号的涡旋光束,进而利用偏振控制板(PCP)将各个子束变为旋转方向反向的圆偏振光。存在一定波长差的各相干子束相继通过连续位相板(CPP)阵列、SPP阵列、PCP阵列后,由楔形透镜聚焦到靶面上(图1)。波长不同、偏振方向相同的靶面光场分量发生干涉,从而实现光强分布和偏振同时随时间而快速变化。

图1 偏振快速旋转匀滑方案

靶面光场及其辐照特性如图2所示。焦斑任一位置的x、y方向光强分量均随时间发生皮秒量级的周期性变化,且具有π的位相延迟[图2(a)]。图2(b)给出了不同波长组合情况下焦斑光通量对比度随时间的变化。结果表明,当子束波长均不相同时,焦斑光通量对比度下降最快,这表明偏振态相同的子束间的动态干涉将显著改善激光辐照均匀性。


图2 (a)焦斑任一位置的x、y方向光强随时间的变化;(b)不同波长组合情况下焦斑光通量对比度随时间变化

研究结果表明,该方案在改善激光靶面辐照均匀性的前提下,亦可有效抑制受激背向散射,为ICF装置提供一种新型光场调控手段。

在后续的研究工作中,本团队将继续关注靶面光场偏振态的动态快速调控新方法及其对受激背向散射的抑制作用,并拓展其在激光与物质相互作用等领域的应用。