基于線性調頻脈沖的光譜色散平滑技術實驗研究＊

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

基于線性調頻脈沖的光譜色散平滑技術實驗研究＊

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

(2009年2月18日收到;2009年6月8日收到修改稿)

在激光驅動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,結合光譜色散平滑(smoothing by spectral dispersion,簡稱SSD)、相位板和光束疊加的技術是固體激光驅動器采用的主流束勻滑技術.瞄準間接驅動,實驗研究了一套基于線性調頻脈沖的SSD技術.在采用該技術后,遠場色散方向上的高頻調制得到了勻滑,色散后的近場也得到了勻滑.測量得到的光譜結構與理論模擬接近.該方法不需要相位調制器,而這類器件在傳統SSD技術中是一個關鍵器件.

遠場,近場,光譜色散平滑,慣性約束聚變

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

1.引言

大于10μm的靶面高頻光強調制容易引起等離子體成絲,是進洞條件下間接驅動束平滑作用的主要目標.光譜色散平滑(SSD)的概念起先由羅徹斯特大學的Skupsky等[1]提出,后來美國的OMEGA升級裝置和國家點火裝置(national ignition facility,簡稱N IF)相繼采用了該技術.該技術可在相位板基礎上對靶面光束進行時域平滑.其優點是在光柵的像傳遞面上只有位相發生改變,而近場保持不變,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.它的另一個重要優點是可以實現高效三倍頻.由于一維SSD不足以實現允許的發散角內的束平滑,研究人員又提出在兩個正交方向上加入光譜角色散的二維SSD方案[2].經過簡化,標準二維SSD中的第一塊光柵被去掉,調制器間的兩塊光柵合成一個旋轉了一定角度的光柵.2002年,Miyaji和Miyanaga等[3]采用三方向光譜角色散來降低二維SSD中不可避免的相干斑現象,輻照均勻性進一步獲得提高,但結構更加復雜.目前,二維和三方向SSD技術主要用于對靶面輻照均勻性要求較高的直接驅動中.對間接驅動,目前主要的驅動器研究者仍以采用一維SSD技術為主.對于一維SSD技術,其關鍵又在于產生具有可滿足束勻滑需要的帶寬且時間平滑的調頻脈沖.目前國際上主要采用微波驅動的相位調制器來產生調頻脈沖,這其中典型的包括美國國家點火裝置[4]和法國兆焦耳激光裝置[5]所采用的波導相位調制器,以及美國水星Mercury裝置采用的體相位調制器[6].但這種方案對脈沖放大過程中由于光譜缺失會產生調頻到調幅的轉變,即FM-to-AM效應[7],對這種現象的控制要采取復雜的系統的控制.國內,2006年江秀娟等[8,9]用數值方法研究了激光驅動器系統中使用正弦調頻脈沖光譜色散平滑技術后光束的衍射特性,模擬結果表明,光譜色散會使光束衍射光斑變大,近場空間強度均勻性改善,而遠場光斑內部存在光強接近于均勻分布的區域.

2.理論模型

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

其中n為堆積脈沖數,αk是第k個啁啾脈沖的強度調制因子,r是脈沖重疊因子,b是輸入脈沖啁啾參數,有關系

圖1 基于線性調頻脈沖的光譜色散平滑技術示意圖

由此得到光柵后的電場為

光束截面上的頻率變化可以理解為截面不同部位時間延遲不同而引起的.由(2)式,總時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

色循環數這里定義為

(1) 使傳統電源盈利能力下降。新能源發電搶占了原屬傳統電源的發電份額,占比不斷提高,直接影響了火電設備的發電利用小時,使得火電的投資額呈下降態勢,進而使得一些發電廠的利潤減少,甚至無法盈利出現虧本現象。

可以通過圖2對此進行理解.

圖2 色循環數的定義 Nc=1的情況

3.實驗研究

實驗的主要目的是考核線性調頻脈沖色散后的近場和焦斑的基本勻滑規律.實驗光路如圖3所示.采用的閃耀光柵刻線密度為883 l/mm,閃耀角為27.7°.取得的主要實驗結果如下.

3.1.遠場

采用的科學級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)時在1/4波片后插入了一塊相位片來引入波前畸變,以模擬高功率激光裝置中釹玻璃帶來的波前畸變.

圖3 基于線性調頻脈沖的光譜色散平滑臺面實驗光路圖

圖4 科學級CCD采集到的堆積脈沖時間積分遠場焦斑 (a)不加波前畸變、不加光柵色散時的焦斑,(b)不加波前畸變、加光柵色散時的焦斑,(c)加波前畸變、不加光柵時的遠場焦斑,(d)加波前畸變、加光柵時的遠場焦斑

圖4驗證了閃耀光柵Littrow角應用下的光譜角色散結構,得到了一維掃動的束平滑焦斑.在掃動方向焦斑高頻調制得到了勻滑.與之垂直方向上勻滑需要在該維度內引入光譜角色散.圖5給出了在原型裝置光路參數下,帶入一發動態波前畸變得到的焦斑和相應的插入883 l/mm閃耀光柵后的時間積分焦斑.可見,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

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處用科學級CCD測得的近場分布 (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像素科學級CCD觸發采集測得的近場分布如圖6所示.由圖6可知周期性啁啾脈沖作光譜角色散后近場均勻性有很大改善.近場調制度由加光柵前的M=2.33下降到加光柵后的M=1.45,對比度由C=0.3下降到C=0.167.圖7給出了數值模擬下徑向光譜角色散對灰塵點的影響,由圖7可知近場色散方向上的中高頻調制得到了勻滑,這與實驗結果一致.說明光束近場“運動”的確可以在時間積分效果上消除高頻調制,從而減輕近場不均勻對放大器釹玻璃片的積累損傷風險,提高裝置負載.

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

3.3.時間波形

時間波形采用Tektronix光電探測器SD-43加6 GHz采樣精度的LeCroy示波器測得(見圖8).圖8說明周期性啁啾脈沖作光譜角色散后在空間點局部位置用光纖取樣測得的時間波形與色散前波形沒有差異.

圖8 加光柵色散前和色散后的時間波形對比 (a)色散前, (b)色散后

3.4.光譜

目前對單次脈沖光譜的測量分辨率仍然受到測量工具的限制,而對高重頻信號則可以達到較高的光譜分辨率.實驗中采用掃描光纖光譜儀ADVANTESTQ8347測量,光譜儀的分辨率帶寬為0.01 nm,波長精度為0.002 nm.測量得到的32路堆積脈沖光譜如圖9所示.得到的結果中心波長為1053.55 nm,光譜半高寬為0.85 nm.圖9(b)給出了32個啁啾脈沖堆積得到的線性調頻脈沖的光譜,高斯型包絡下的頻率梳的周期在0.05 nm附近.更精細的間隔200 ps的兩個半高全寬140 ps的啁啾脈沖堆積實驗表明理論和實驗結果非常接近,梳狀譜的間隔都是20 pm.

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

4.加連續相位板時的遠場分布模擬

為了進一步改善靶面輻照均勻性,可以在終端光學組件中插入連續相位板(CPP),來與線性調頻脈沖和光譜角色散一同作用.設計了初步的CPP,可以通過濕法刻蝕來加工得到.圖10給出了單獨采用CPP時得到的時間積分焦斑和采用線性調頻脈沖、光譜角色散和CPP時得到的時間積分焦斑,二者均未考慮主放的波前畸變.采用的計算參數如下:空間點512×512,時間切片為1 ps,焦距為4 m,2個啁啾脈沖堆積,單個啁啾脈沖的半高全寬tFWHM=100 ps,色循環數Nc取0.5.

5.結論

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

在間接驅動中,為了提高靶腔注入率,需要焦斑有高的能量集中度、低旁瓣,同時具有束勻滑的功能,從而抑制成絲.這里通過實驗和數值模擬研究了一套基于線性調頻脈沖的SSD技術.實驗的難點在于獲得線性調頻脈沖,解決的思路是通過對光纖鎖模振蕩器產生的種子脈沖進行脈沖選擇和利用啁啾光纖光柵進行脈沖展寬,得到了頻率和時間滿足線性關系的調頻脈沖,再對這樣的基元脈沖進行堆積獲得了激光驅動器需要的納秒級任意整形脈沖.從實驗上觀察到線性調頻脈沖進行光譜角色散后對近場和遠場都有束勻滑效果,為采用這種技術進行靶面均勻輻照和提高裝置負載能力奠定了基礎.為了更有效地控制靶面光強分布,需要綜合使用時域和空域束平滑技術,其中不能由相位板控制的一類高頻調制在采用線性調頻脈沖光譜角色散后可以得到平滑.與國外傳統技術相比,無需相位調制器,易于獲得寬帶光和光學任意整形是這套SS D技術的優點和創新點所在.

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[9]Jiang X J,Zhou S L,Lin ZQ,Zhu J 2006Acta Phys.Sin.55 5824(in Chinese)[江秀娟、周申蕾、林尊琪、朱 儉2006物理學報55 5824]

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[11]Zhang R,Zhang XM,Su J Q,Sui Z,Jing F,WangW Y 2006 Acta Opt.Sin.26 1512(in Chinese)[張 銳、張小民、粟敬欽、隋 展、景 峰、王文義2006光學學報26 1512]

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

＊國家自然科學基金(批準號: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