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
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
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
基于抽运光非线性小尺度自聚焦效应,分析了光克尔介质类型、抽运光光束质量和光克尔介质长度对束匀滑效果的影响。研究结果表明,在基于动态波前调控的径向匀滑方案中,当抽运光的峰值强度一定时,与CS2相比,采用硝基苯作为光克尔介质可获得较好的束匀滑效果。在实际应用中,抽运光的小尺度自聚焦效应会随着抽运光峰值强度和光克尔介质长度的增加而加剧,因此需要合理选择抽运光和光克尔介质参数,以获得较好的束匀滑效果,避免抽运光小尺度自聚焦效应的影响。
激光光学 惯性约束聚变 径向束匀滑 小尺度自聚焦 均匀性
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
在惯性约束聚变(ICF)驱动器设计中，利用正交偏振板改变光束内部偏振态，实现靶面消相干叠加，以进一步改善靶面辐照均匀性。建立了正交偏振板的透过率函数，分别对单光束和多光束叠加两种情况下的焦斑偏振特性及均匀性进行数值模拟和分析。结果表明，利用正交偏振板能较好地实现光束消偏振叠加，焦斑在时间统计上表现为部分偏振光；采用正交偏振板互补组合方式时，消偏振效果随偏振板单元数的变化不敏感，因而可以选取单元数较少的正交偏振板，以降低对加工工艺的要求。
束匀滑 正交偏振板 消偏振叠加 单元数 beam smoothing orthogonal polarization control plate depolarizing superposition number of units
1 中国工程物理研究院激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
2 中国科学院西安光学精密机械研究所, 陕西 西安 710119
开发了神光III主机装置上的背向散射诊断技术。采用非球面金属镜配空间滤波器的方式将倍频晶体返回的杂散光滤除，采用矩形小孔将楔形打靶透镜带来的宽光谱色散影响消除，采用大光斑配白光标定的方式获得整个背向散射系统的谱透射率，最终可实现定量化的背向散射光能量诊断。通过适当的光路设计，可实现背向散射受激布里渊散射光(SBS)和受激拉曼散射光(SRS)的光谱和时间过程测量。通过已有的实验数据可知，该技术已经初步具备了这方面的能力。
测量 黑腔 等离子体 束匀滑 背向散射 光谱
惯性约束聚变(ICF)系统打靶对焦斑的大小及能量分布均匀性都有明确的要求，在连续相位板设计过程中要同时兼顾这两个方面。研究了连续相位板的面形与远场焦斑光强均匀性间的关系，从理论上推导了元件表面调制深度与焦斑尺寸的关系，并进行了定量计算。结果表明，焦斑半径随连续相位板的面形调制深度线性增加。鉴于连续相位板具有的随机特性，比较了不同相位板远场特性的区别，研究了面形调制深度对其光强峰谷值和均方根值的影响，结果表明不同设计的连续相位板，远场特性有较大的不同。当面形调制深度在5~15个波长时，焦斑具有较低的光强峰谷值和均方根值，连续相位板具有较好的束匀滑效果。
连续相位板 调制深度 均匀性 束匀滑 continuous phase plate modulation depth uniformity beam smoothing 强激光与粒子束
2014, 26(10): 102003
中国工程物理研究院激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
为了验证束匀滑的物理效果并获得充气黑腔的辐射源特性，在神光Ⅲ原型装置上利用背向散射测量系统对束匀滑和充气条件下的散射光能量份额及光谱进行了测量。散射光能量测量结果表明：当前实验条件下，束匀滑可有效抑制背向散射光份额，散射光份额由无束匀滑时的25%~35%降为2%~4%，充气黑腔中受激拉曼散射光份额明显增加，由真空腔的2%~4%增大至10%~13%。光谱测量结果表明：束匀滑后等离子体状态更均匀，充气黑腔的受激拉曼散射在激光作用前期就开始显著产生，而在真空黑腔中主要产生于激光作用的后期。
测量 束匀滑 背向散射 受激拉曼散射 等离子体
