CN105259662A - 惯性约束聚变装置中基于光克尔效应的径向光束匀滑方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种惯性约束聚变装置中基于光克尔效应的径向光束匀滑方法及其匀滑装置。该方法是在激光驱动惯性约束聚变装置光传输链中，加入一基于光克尔效应的径向光束匀滑装置，并利用光克尔介质和匀滑装置中的周期性高斯脉冲相互作用产生的周期性球面位相调制，以对惯性约束聚变装置光传输链中的激光光束透射波前进行周期性调制，实时改变其远场焦斑的尺寸，实现快速变焦；快速变焦进一步引起远场散斑的径向扫动，实现激光光束远场焦斑在径向方向上的匀滑，最终在较短的积分时间内提高激光光束远场辐照的均匀性，即改善其对靶面辐照的均匀性。

Description

惯性约束聚变装置中基于光克尔效应的径向光束匀滑方法

技术领域

本发明涉及一种激光驱动惯性约束聚变装置中光束匀滑技术，具体涉及一种激光驱动惯性约束聚变(ICF)装置中基于光克尔效应的径向光束匀滑方法及其匀滑装置。

背景技术

在激光驱动惯性约束聚变(ICF)装置中，由于物理实验要求高功率激光装置可精密控制靶面光场分布，因而广泛采用了各种空域光束匀滑技术和时域光束匀滑技术，以在ICF装置中实现对激光光束远场焦斑均匀性的控制，亦即改善其对靶面辐照的均匀性。在已有的空域光束匀滑技术中，常采用连续相位板(ContinuousPhasePlate，CPP)来控制激光光束远场焦斑轮廓，但由于激光光束内部子光束间的相干叠加，其远场焦斑内部存在散斑结构；这一类散斑结构会导致激光束与靶丸相互作用过程中各种参量不稳定性效应的产生，从而降低激光束对靶丸的压缩对称性，因而需要采用时域光束匀滑技术以抑制散斑的存在，减小各种参量不稳定性效应的危害。现有的时域光束匀滑技术主要包括诱导空间非相干束匀滑、光学空间平滑、偏振匀滑和光谱角色散匀滑等技术。

所述诱导空间非相干束匀滑技术是利用宽带激光源来辐照远场，能获得极好的焦斑均匀性，但它只能适用于气体准分子激光器作为激光源，而且需要使气体准分子激光器运行在小能量下，以避免激光束在放大器中传输时产生非线性光学畸变。

所述光学空间平滑技术是利用光学色散元件将宽带光源的时间非相干转化为空间非相干，使得大量相互独立的干涉散斑同时叠加在靶面上，以获得均匀的远场光强分布。这种减小前端光源相干性的方法可抑制激光束在远场的高频空间调制的产生，然而会对激光的脉冲时间波形产生破坏，影响激光束的传输与放大特性。

所述偏振匀滑技术是利用双折射光楔、偏振旋转扳等光学元件改变光束截面内的偏振态，实现光束内部子光束的消相干叠加，以减小远场焦斑对比度。这一方法的优点是能瞬时实现对焦斑的匀滑，对于提高靶面辐照初期的远场焦斑均匀性富有成效，但双折射光楔主要用于单一光束的匀滑，并且会受到受激拉曼散射带来的损伤，而偏振旋转扳的缺点则是仅当多光束叠加时才有匀滑效果。

所述光谱角色散(SmoothingbySpectralDispersion，SSD)匀滑技术是通过对激光光束进行时间相位调制和利用光栅进行光谱角色散，实现激光束远场散斑的扫动，从而在等离子体热匀滑时间内提高远场焦斑均匀性。目前，一维SSD(1D-SSD)的缺点是仅能实现激光光束远场散斑在光栅色散方向，即x方向或y方向的扫动，导致其远场焦斑内部出现沿光栅色散方向的条纹状的光强调制，因而又提出了二维SSD匀滑技术，同时实现了激光束在x方向和y方向两个正交方向的光束匀滑；但由于二维SSD中激光束在远场存在不可避免的相干现象，进而又提出了三方向SSD匀滑技术，该匀滑技术通过使近场激光束的频率趋于无规，进一步提高了靶面辐照均匀性。然而，三方向SSD匀滑技术存在光路结构复杂、调节困难等缺点。

发明内容

本发明的目的正是为了克服现有技术中所存在的缺陷和不足，提供一种惯性约束聚变装置中基于光克尔效应的径向光束匀滑(RadialSmoothing，RS)新方法，以及实现该方法的径向光束匀滑装置。该方法是在惯性约束聚变装置光传输链中，加入一基于光克尔效应的径向光束匀滑装置，即能实现激光光束远场焦斑在径向方向上的匀滑，从而在较短的积分时间内提高激光光束远场辐照的均匀性，即改善其对靶面辐照的均匀性。

本发明提出的惯性约束聚变装置中基于光克尔效应的径向光束匀滑方法和匀滑装置可用于直接驱动和间接驱动惯性约束聚变装置，以改善对靶面辐照的均匀性。

为实现上述目的，本发明采用由以下技术措施构成的技术方案来实现的。

本发明的设计构思是：在激光驱动惯性约束聚变装置光传输链中的预放大系统和主放大系统之间，加入一基于光克尔效应的径向光束匀滑装置，并利用光克尔介质和匀滑装置中皮秒激光器输出的周期性高斯脉冲相互作用产生的周期性球面位相调制，以对惯性约束聚变装置光传输链中的激光光束透射波前进行周期性调制，实时改变其远场焦斑的尺寸，实现快速变焦；快速变焦进一步引起远场焦斑内部散斑的径向扫动，进一步实现激光光束远场焦斑在径向方向上的匀滑，从而在较短的积分时间内提高激光光束远场辐照的均匀性，即改善激光光束对靶面辐照的均匀性。

所述的径向光束匀滑装置由皮秒激光器、脉冲堆积单元、透镜、二向色镜、光克尔介质和滤光元件组成；其中脉冲堆积单元由分束器、多路光纤和合束器构成；从皮秒激光器输出的高斯脉冲经过光纤脉冲堆积单元时，由分束器分成多个子高斯脉冲，各个子高斯脉冲经各自长度不同的光纤传输至合束器，经合束器合束后得到周期性高斯脉冲；周期性高斯脉冲经透镜、二向色镜耦合至惯性约束聚变装置光传输链中，周期性高斯脉冲在经过光克尔介质后被滤光元件滤除；而光克尔介质受到周期性高斯光束作用后产生周期性球面位相调制。在所述光传输链中，种子光输出单元输出的激光束依次经过预放大系统、二向色镜、光克尔介质、滤光元件、主放大系统、反射镜和连续相位板(CPP)，最后经聚焦透镜聚焦到靶面；当激光束经过光克尔介质时，激光束的透射波前受到周期性调制，则其在激光远场的焦斑的尺寸发生周期性变化，即快速变焦，快速变焦引起远场焦斑内部散斑在径向的快速扫动，从而在较短积分时间内抹平焦斑在径向的调制结构，改善激光束对靶面辐照的均匀性。

本发明提供的一种惯性约束聚变装置中基于光克尔效应的径向光束匀滑方法，包括以下步骤：

(1)在激光驱动的惯性约束聚变装置光传输链中，加入一径向光束匀滑装置，选择此装置中皮秒激光器输出波长与光传输链中激光束的波长不同的皮秒激光器高斯脉冲，并调节皮秒激光器输出的高斯脉冲的半高全宽的脉宽T_w和光强I_p参数值；

(2)将步骤(1)所述皮秒激光器输出的高斯脉冲耦合至径向光束匀滑装置中光纤脉冲堆积单元中，此高斯脉冲经光纤脉冲堆积单元中的分束器分成多路子高斯脉冲，调节各路光纤长度L_i使各子高斯脉冲经过不同的时间延迟，最后经过光纤脉冲堆积单元中的合束器合成为周期性高斯脉冲，即泵浦光；

(3)将步骤(2)中所述周期性高斯脉冲经过径向光束匀滑装置中的透镜和二向色镜耦合至所述惯性约束聚变装置光传输链中；

(4)在步骤(3)中所述的周期性高斯脉冲经过径向光束匀滑装置中光克尔介质时，光克尔介质受到周期性高斯脉冲即泵浦光的作用后产生周期性的球面位相调制，实时调制所述光传输链中的激光束的透射波前；同时，周期性高斯脉冲经过光克尔介质后被径向光束匀滑装置中滤光元件滤除，以避免对光传输链中激光束的传输产生影响；

(5)在步骤(4)中所述光传输链中激光束的透射波前受到周期性球面位相调制后，依次经过主放大系统、反射镜和连续相位板，最后经聚焦透镜聚焦到靶面；激光束的远场光斑尺寸发生周期性变化，即快速变焦，引起远场焦斑内部散斑在径向的快速扫动，实现在较短的积分时间内对靶面的径向匀滑，即对靶面辐照的均匀性。

上述技术方案中，步骤(1)中所述加入径向光束匀滑装置，是在惯性约束聚变装置光传输链中其预放大系统和主放大系统之间加入径向光束匀滑装置。

上述技术方案中，所述加入的径向光束匀滑装置包括皮秒激光器，光纤脉冲堆积单元，透镜，二向色镜，光克尔介质和滤光元件。

上述技术方案中，步骤(4)中所述光克尔介质受到周期性高斯脉冲即泵浦光作用后，光克尔介质的折射率会引起变化，其折射率表示为以下公式：

n＝n₀+n₂I_p(1)

式中n₀为光克尔介质的本征折射率，n₂为光克尔系数，I_p为泵浦光峰值强度。此公式来源见参考文献(SalaK,RichardsonMC.OpticalKerreffectinducedbyultrashortlaserpulses[J].Phy.Rev.A,1975,12(3):1036)

上述技术方案中，步骤(4)中所述光传输链中的激光束的透射波前表示为下式：

$\mathrm{\Φ}={\mathrm{kdn}}_2{I}_p\exp \[-(\frac{x^2}{w^2}+\frac{y^2}{w^2})\]\underset{m}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}\exp \[-2log\left(2\right){\left(\frac{t-{\mathrm{mhT}}_w}{T_w}\right)}^2\]---\left(2\right)$

式中，k＝2π/λ为波失，λ为激光束波长；d为光克尔介质厚度，I_p为泵浦光峰值强度，w为1/e束腰宽度，h为时间延迟因子，T_w为高斯脉冲的半高全宽的脉宽。

上述技术方案中，在积分时间Δt内，远场光强分布为：

式中，Δt为积分时间，E₀为激光束近场的光场分布，为连续相位板(CPP)的附加相位，“FT”表示傅里叶变换，“||”表示取绝对值。

上述技术方案中，所述光克尔介质为石墨烯、或二硫化碳。

本发明提供的实现所述惯性约束聚变装置中基于光克尔效应的径向光束匀滑方法的匀滑装置，包括种子光输出单元，预放大系统，主放大系统，反射镜，连续相位板，聚焦透镜，靶面；按照本发明，还包括径向光束匀滑装置，该径向光束匀滑装置由皮秒激光器，光纤脉冲堆积单元，透镜，二向色镜，光克尔介质和滤光元件组成的；其中，光纤脉冲堆积单元由分束器、合束器和多路光纤组成；按照光路描述：从种子光输出单元输出的激光束依次经过预放大系统、二向色镜、光克尔介质，滤光元件、主放大系统、反射镜和连续相位板后，最后经聚焦透镜聚焦在靶面；从皮秒激光器输出的高斯脉冲经过光纤脉冲堆积单元时，由分束器分成多个子高斯脉冲，各个子高斯脉冲经各自长度不同的光纤传输至合束器，经合束器合束后得到周期性高斯脉冲；然后经透镜、二向色镜耦合到光传输链中，经过光克尔介质后，光克尔介质受到周期性高斯脉冲即泵浦光的作用后产生的周期性球面位相调制，并实时调制所述光传输链中的激光束的透射波前；且周期性高斯脉冲被滤光元件滤除；所述光传输链中激光束的透射波前受到周期性球面位相调制后，依次经过主放大系统、反射镜和连续相位板，最后经聚焦透镜聚焦到靶面；激光束的远场焦斑尺寸发生周期性变化，即快速变焦，从而引起远场焦斑内部散斑在径向的快速扫动，在较短的积分时间内实现靶面的径向匀滑。

上述技术方案中，所述径向匀滑装置中的皮秒激光器，选用可调谐皮秒激光器，或钛宝石皮秒激光器，或掺Yb³⁺光纤皮秒激光器；并要求其输出的高斯脉冲的波长与惯性约束聚变装置光传输链中的激光束的波长不同，以避免对激光束后续的传输与放大产生影响。

上述技术方案中，所述皮秒激光器输出高斯脉冲的半高全宽的脉宽T_w应与所述的积分时间相近，以实现在较短时间内提高光传输链中激光束对靶面辐照的均匀性。

上述技术方案中，所述实现靶面的径向匀滑的积分时间为10ps至1ns之间。

上述技术方案中，所述滤光元件可以是旋光片、滤光片或空间滤波器的一种。

本发明所述的径向光束匀滑技术，即是使激光束远场散斑在靶面沿径向方向扫动，以实现激光束远场焦斑在径向方向的匀滑，所述径向方向是指在靶面沿半径的方向，垂直成"I"字型。

本发明所述的惯性约束聚变装置中基于光克尔效应的径向光束匀滑方法和匀滑装置，在惯性约束聚变装置光传输链中使用连续相位板的前提下，可单独使用，亦可与现有的1D-SSD联合使用，从而引起光传输链中激光束远场焦斑内部散斑在径向的快速扫动，以同时实现对光传输链中激光束的远场散斑在径向方向和光栅色散方向的匀滑。

本发明与现有技术相比所具有的优点及有益的技术效果如下：

1、本发明首次提出了惯性约束聚变装置的激光驱动系统中基于光克尔效应的径向光束匀滑方法，并提供一种实现该方法的匀滑装置，实现了光传输链中激光束远场散斑在径向方向的光束匀滑。

2、本发明所述的惯性约束聚变装置中基于光克尔效应的径向光束匀滑方法和装置，是利用光克尔介质和周期性高斯脉冲相互作用后产生的周期性球面位相调制，进一步对光传输链中激光束的透射波前进行周期性调制，从而实时改变其远场焦斑的尺寸，实现快速变焦；快速变焦进一步引起远场散斑的径向扫动，最终在较短的积分时间内提高激光光束的远场辐照均匀性。

3、本发明所述的惯性约束聚变装置中基于光克尔效应的径向光束匀滑方法和匀滑装置与现有1D-SSD相比，能避免激光束在远场产生条纹状的强度调制的产生，因而激光束的远场光斑尺寸发生周期性变化，即快速变焦，从而引起远场焦斑内部散斑在径向的快速扫动，进而在较短积分时间内实现靶面的径向匀滑。

4、本发明所述的惯性约束聚变装置中基于光克尔效应的径向光束匀滑方法和匀滑装置，该装置与现有SSD、CPP联合使用之后，能大幅度地提高激光束对靶面辐照的均匀性。

附图说明

图1是本发明实现所述惯性约束聚变装置中基于光克尔效应的径向光束匀滑方法的匀滑装置的结构示意图；

图2是本发明所述惯性约束聚变装置中基于光克尔效应的径向束匀滑装置中的光纤脉冲堆积单元结构示意图；

图3是本发明所述惯性约束聚变装置中基于光克尔效应的径向束匀滑装置中光克尔介质受到泵浦光作用时，产生的球面位相分布图；

图4是本发明所述惯性约束聚变装置中基于光克尔效应的径向束匀滑方法中无连续相位板时的光束匀滑方向及其焦斑，其中，(a)为径向光束匀滑方向及其焦斑，(b)为已有的1D-SSD光束匀滑方向及其焦斑；

图5是本发明所述惯性约束聚变装置中基于光克尔效应的径向束匀滑方法中有连续相位板时的焦斑，其中，(a)为径向光束匀滑方法的焦斑，(b)为已有的1D-SSD光束匀滑的焦斑，(c)为径向光束匀滑方法与1D-SSD联合使用时的焦斑；

图6是本发明所述惯性约束聚变装置中基于光克尔效应的径向光束匀滑方法中有连续相位板时，径向光束匀滑方法、1D-SSD、径向光束匀滑方法与1D-SSD联合使用的三种光束匀滑方案下，其焦斑的FOPAI曲线；

图7是本发明所述惯性约束聚变装置中基于光克尔效应的径向光束匀滑方法中有连续相位板时，其中，(a)径向光束匀滑方法、径向光束匀滑方法与1D-SSD联合使用的两种方案下，光通量对比度Contrast随泵浦光峰值强度的变化曲线，(b)径向光束匀滑方法、1D-SSD、径向光束匀滑方法与1D-SSD联合使用的三种方案下光通量对比度Contrast随积分时间Δt的变化曲线。

图中，1种子光输出单元，2预放大系统，3二向色镜，4光克尔介质，5滤光元件，6主放大系统，7反射镜，8连续相位板，9聚焦透镜，10靶面，11皮秒激光器，12光纤脉冲堆积单元，13透镜，14分束器，15合束器，16多路光纤。

具体实施方式

下面结合附图并用具体实施例对本发明作进一步详细说明，有必要在此指出的是所述的实施例只是用于对本发明的进一步描述，而并不意味着是对本发明保护范围的任何限定。

本发明所述的一种惯性约束聚变装置中的基于光克尔效应的径向光束匀滑方法，实现该径向光束匀滑方法的匀滑装置其结构如图1所示。包括种子光输出单元1，预放大系统2，主放大系统6，反射镜7，连续相位板8，聚焦透镜9，靶面10；还包括径向光束匀滑装置，该径向光束匀滑装置由二向色镜3，光克尔介质4，滤光元件5，皮秒激光器11，光纤脉冲堆积单元12，透镜13；其中，光纤脉冲堆积单元12由分束器14、多路光纤16和合束器15组成。按光路描述：种子光输出单元1输出的激光束依次经过预放大系统2、二向色镜3、光克尔介质4、滤光元件5、主放大系统6、反射镜7、连续相位板8、聚焦透镜9，最后到达靶面10；进一步由图1，由皮秒激光器11和光纤脉冲堆积单元12产生的周期高斯脉冲经透镜13、二向色镜3耦合进入光传输链，该周期高斯脉冲作用在光克尔介质4上产生周期性球面位相调制，最后经滤光元件5滤除；而光传输链中的激光束经过光克尔介质时，其透射波前为周期性球面位相；所述光传输链中激光束的透射波前受到周期性球面位相调制后，依次经过主放大系统、反射镜和连续相位板，最后经聚焦透镜聚焦到靶面；因而聚焦光斑尺寸随着周期性球面位相的改变而发生变化，激光束的远场光斑尺寸发生周期性变化，即快速变焦，从而引起远场焦斑内部散斑在径向的快速扫动，在较短的积分时间内实现靶面的径向匀滑。由图2，所述皮秒激光器11输出的高斯脉冲经光纤脉冲堆积单元12时，先由分束器14分为多束子高斯脉冲，子高斯脉冲经过各自不同长度的多路光纤16后，再由合束器15合成为周期性高斯脉冲。

实施例1

本实施例中所用光克尔介质为石墨烯，因其拥有高光克尔系数、高损伤阈值和大的通光口径等特性，石墨烯的参数为：光克尔系数n₂＝6×10^-8cm²/W，厚度d＝0.5nm，尺寸40×40mm；可调谐皮秒激光器11输出的高斯脉冲波长λ＝808nm，半高全宽的脉宽为T_w＝2.2ps，脉冲峰值强度I_p＝0.2GW/cm²，光纤脉冲堆积单元12中多路光纤之间的时间延迟因子h＝3.3，积分时间Δt＝10ps；所述的皮秒激光器11选择可调谐皮秒激光器；所述滤光元件选用旋光片。

具体操作步骤如下：

(1)首先在激光驱动的惯性约束聚变装置光传输链中，加入径向光束匀滑装置，选择输出光波长为λ＝808nm的可调谐的皮秒激光器11，调节其半高全宽的脉宽为T_w＝2.2ps，脉冲峰值强度I_p＝0.2GW/cm²；选取所述光克尔介质为石墨烯，其参数为：光克尔系数n₂＝6×10^-8cm²/W，厚度d＝0.5nm，尺寸40×40mm；

(2)将步骤(1)所述可调谐的皮秒激光器11输出的高斯脉冲耦合至径向光束匀滑装置中光纤脉冲堆积单元12中，此高斯脉冲经光纤脉冲堆积单元12中的分束器14分成多路子高斯脉冲；调节所述的光纤脉冲堆积单元12中多路光纤16的长度L_i，其中i表示不同光路的光纤，使各路光纤之间的长度满足L_i+1-L_i＝c·hT_w，其中c为真空中的光速，即使各子高斯脉冲经过不同的时间延迟，最后经光纤脉冲堆积单元12中的合束器15合成为周期性高斯脉冲，即泵浦光；

(3)在所述步骤(2)中各子高斯脉冲经各路光纤传输时，相邻子高斯脉冲之间的延时大于3倍的半高全宽的脉宽T_w，以避免相邻子高斯脉冲之间产生拍频；

(4)将所述步骤(2)中所述周期性高斯脉冲经过径向光束匀滑装置中的透镜13和二向色镜3耦合至所述惯性约束聚变装置光传输链中；

(5)在所述步骤(4)中所述的周期性高斯脉冲经过径向光束匀滑装置中光克尔介质4时，光克尔介质受到周期性高斯脉冲即泵浦光的作用后产生周期性的球面位相调制，实时调制所述光传输链中的激光束的透射波前；同时，周期性高斯脉冲经光克尔介质后被径向光束匀滑装置中滤光元件5滤除，以避免对光传输链中激光束的传输产生影响；

(6)在所述惯性约束聚变装置光传输链中种子光输出单元1输出的激光束依次经过预放大系统2、二向色镜3、光克尔介质4、滤光元件5、主放大系统6、反射镜7和连续相位板8，最后经聚焦透镜9聚焦到靶面10；当激光束经过步骤(5)中所述的的光克尔介质4时，其透射波前随着光克尔介质的周期性球面位相调制而改变，即亦为周期性球面位相；

(7)在所述步骤(6)中的光传输链中的激光束经过聚焦透镜9聚焦时，由于其透射波前为周期性球面位相，因而靶面10焦斑的尺寸也会随之周期性变化；由于周期性高斯脉冲的半高全宽的脉宽T_w较短，其周期为数十皮秒,因而周期性球面位相的周期亦为数十皮秒，所述靶面焦斑尺寸的变化周期亦为数十皮秒，因而实现焦斑尺寸的快速周期性变化，即快速周期性变焦；

(8)在所述步骤(7)中的快速周期性变焦引起靶面焦斑内部散斑在径向方向的扫动；在较短的积分时间内，散斑在径向方向的扫动将抹平靶面焦斑的光强调制，从而提高激光光束靶面辐照的均匀性。

图3给出了采用可调谐的皮秒激光器11输出的周期性高斯脉冲中单个高斯脉冲作用在实施例1中所述光克尔介质4为石墨烯上时，产生的球面位相分布。

为方便比对，将实施例1的径向光束匀滑方法与典型的一维1D-SSD进行比对，其中1D-SSD的参数按照文献(S.Skupsky,R.W.Short,T.Kessler,etal..Improvedlaserbeamuniformityusingtheangulardispersionoffrequencymodulatedlight.J.Appl.Phys.66,3456(1989).)进行选取，即时间位相调制的调制频率ω_m＝2.5GHz，调制深度为δ＝12，光栅色散系数为

图4～图7对实施例1中的径向光束匀滑方法对远场焦斑均匀性的改善效果进行了展示，从图中所得结果充分说明了本发明所述的基于光克尔效应的径向光束匀滑方法和装置的有效性、可行性。

图4所示，对比了有连续相位板8时，径向匀滑方法和1D-SSD的匀滑方向及其焦斑。其中，(a)是本发明所述的径向匀滑方法后的焦斑分布，其匀滑方向为径向，沿各个方向都存在；(b)是典型1D-SSD后的焦斑分布，其匀滑方向为y方向。

图5所示，对比了有连续相位板8时，径向匀滑方法、1D-SSD、径向匀滑和1D-SSD联合使用三种方案下的焦斑分布。其中，(a)为本发明所述的径向匀滑方法后的焦斑，焦斑内部斑纹在径向方向得到匀滑；(b)为1D-SSD的焦斑，焦斑在y方向得到匀滑，存在明显的条纹状的光强调制；(c)为径向匀滑方法和1D-SSD联合使用后的焦斑，焦斑在径向和y方向均得到匀滑。值得指出的是，焦斑尺寸并未明显改变。

为了定量分析焦斑均匀性的改善程度，采用焦斑光通量对比度(Contrast)来评价，焦斑光通量对比度越小表明焦斑均匀性越好；其公式表示如下：

$Contrast=\frac{\sqrt{\underset{i}{\Σ}\underset{j}{\Σ}\[I_{i,j}(x_f,y_f)-I_{mean}\]/N_x{N}_y}}{I_{mean}}---\left(4\right)$

式中，I_i,j(x_f,y_f)为(x_f,y_f)位置处的光强；I_mean为平均光强。

为了定量分析束匀滑技术对焦斑内部热斑的改善程度，采用FractionalPoweraboveIntensity(FOPAI)曲线来评价，FOPAI曲线向左移表明对焦斑内部热斑的改善效果越好；其公式表示如下：

$FOPAI=\frac{{{\∫}_A}_{hereI(x,y)>I_{mean}}I(x,y)dxdy}{{\∫}_{A}I(x,y)dxdy}---\left(5\right)$

式中，A为焦斑面积,I_mean为平均光强

在对焦斑均匀性和内部热斑的改善程度进行定量分析时，针对90％环围能量比的区域进行计算。

利用公式(4)和(5)对图5所示的焦斑的光强分布分别计算其光通量对比度和FOPAI曲线，得到图6和图7。

图6所示，使用了连续相位板8时，径向光束匀滑方法、1D-SSD下焦斑的光通量对比度接近，束匀滑效果相当；径向光束匀滑方法和1D-SSD联合使用下焦斑的光通量对比度明显减小，束匀滑效果得到较大改善。

图6所示，使用了连续相位板8时，径向光束匀滑方法和1D-SSD联用下焦斑的FOPAI曲线向左移，表明相比于其他两种光束束匀滑方案，焦斑内部热斑明显减少，束匀滑效果得到较大改善。

利用公式(4)、(5)计算使用了连续相位板8时，径向光束匀滑方法、径向光束匀滑方法与1D-SSD联合使用的两种方案下，在不同泵浦光峰值强度下焦斑的光通量对比度，得到图7(a)所示；通过计算使用了连续相位板时，径向光束匀滑方法、1D-SSD、径向光束匀滑方法与1D-SSD联合使用的三种方案下，在不同的积分时间Δt下的FOPAI曲线，得到图7(b)所示。

图7(a)所示，使用了连续相位板8时，径向光束匀滑方法、径向光束匀滑方法与1D-SSD联合使用的两种方案下，焦斑光通量对比度随着泵浦光峰值强度的增大而降低，且后者在更短的时间内达到更好的束匀滑效果。

图7(b)所示，使用了连续相位板8时，对于1D-SSD、径向光束匀滑方法与1D-SSD联合使用的两种方案下，焦斑光通量对比度随着积分时间的增长逐渐减小，最后趋于稳定值；而对于径向光束匀滑下的焦斑，光通量对比度迅速下降，然后随着积分时间的增长而在某一个值附近扰动。图7(b)表明，径向光束匀滑方法能更快、更好地改善焦斑的初始均匀性；而径向光束匀滑方法与1D-SSD联合使用之后，能充分结合径向光束匀滑方法和1D-SSD各自的特点，从而在多方向对焦斑进行匀滑，以改善靶面辐照的均匀性。

通过上述实施例1及附图的展示，表明了本发明所述惯性约束聚变装置中的基于光克尔效应的径向光束匀滑方法和匀滑装置能够在积分时间10ps内实现靶面的有效匀滑。

实施例2

本实施例中所用光克尔介质4为二硫化碳(CS₂)，其参数为：光克尔系数n₂＝2.1×10^-15cm²/W，厚度d＝0.45mm，尺寸40×40mm；可调谐的皮秒激光器11输出的高斯脉冲波长为λ＝800nm，半高全宽的脉宽T_w＝2.2ps，脉冲峰值强度I_p＝63.5GW/cm²，光纤脉冲堆积单元12时间延迟因子h＝3.3，积分时间Δt＝10ps；所述滤光元件选用滤光片。其他操作步骤及操作过程与实施例1相同，同样可得到与实施例1相同的对激光束的远场焦斑均匀性的改善效果。

本发明所述实施例仅给出了具体的应用例子，但对于从事惯性约束聚变的激光驱动系统中的研究人员而言，还可根据以上启示设计出多种用于惯性约束聚变装置中的基于光克尔效应的径向光束匀滑结构，这仍被认为涵盖于本发明之中。

Claims (10)

1.一种惯性约束聚变装置中基于光克尔效应的径向光束匀滑方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)在激光驱动的惯性约束聚变装置光传输链中，加入一径向光束匀滑装置，选择此装置中皮秒激光器(11)输出的波长与光传输链中激光束的波长不同的高斯脉冲，并调节高斯脉冲的半高全宽脉宽T_w和光强I_p参数值；

(2)将步骤(1)所述的高斯脉冲耦合至径向光束匀滑装置中光纤脉冲堆积单元(12)中，此高斯脉冲经光纤脉冲堆积单元(12)中的分束器(14)分成多路子高斯脉冲，调节各路光纤(16)长度L_i使各子高斯脉冲经不同的时间延迟，最后经光纤脉冲堆积单元(12)中的合束器(15)合成为周期性高斯脉冲，即泵浦光；

(3)将步骤(2)中所述周期性高斯脉冲经径向光束匀滑装置中的透镜(13)和二向色镜(3)耦合至所述惯性约束聚变装置光传输链中；

(4)在步骤(3)中所述周期性高斯脉冲经径向光束匀滑装置中光克尔介质(4)时，光克尔介质受到周期性高斯脉冲作用产生周期性的球面位相调制，并实时调制所述光传输链中激光束的透射波前；同时周期性高斯脉冲经光克尔介质后被径向光束匀滑装置中滤光元件(5)滤除；

(5)在步骤(4)中所述光传输链中激光束的透射波前受到周期性球面位相调制后，依次经光传输链中主放大系统(6)、反射镜(7)和连续相位板(8)，再经聚焦透镜(9)聚焦到靶面(10)；激光束的远场光斑尺寸发生周期性变化，引起远场焦斑内部散斑在径向快速扫动，在较短积分时间内实现对靶面的径向匀滑，即改善对靶面辐照的均匀性。

2.根据权利要求1所述的径向光束匀滑方法，其特征在于所述步骤(1)中加入径向光束匀滑装置，是在惯性约束聚变装置光传输链中于预放大系统(2)和主放大系统(6)之间加入；所述径向光束匀滑装置包括皮秒激光器(11)，光纤脉冲堆积单元(12)，透镜(13)，二向色镜(3)，光克尔介质(4)和滤光元件(5)；其中光纤脉冲堆积单元(12)由分束器(14)、多路光纤(16)和合束器(15)组成。

3.根据权利要求1或2所述的径向光束匀滑方法，其特征在于所述步骤(4)中光克尔介质(4)受到周期性高斯脉冲作用后，其折射率会引起变化，折射率表示为以下公式：

n＝n₀+n₂I_p(1)

式中n₀为光克尔介质的本征折射率，n₂为光克尔系数，I_p为泵浦光峰值强度。

4.根据权利要求1所述的径向光束匀滑方法，其特征在于所述步骤(4)中的激光束的透射波前表示为下式：

式中，k＝2π/λ为波失，λ为激光束波长；d为光克尔介质厚度，I_p为泵浦光峰值强度，w为1/e束腰宽度，h为时间延迟因子，T_w为高斯脉冲的半高全宽的脉宽。

5.根据权利要求1或4所述的径向光束匀滑方法，其特征在于所述步骤(5)中在积分时间Δt内，远场光强分布为：

式中，Δt为积分时间，E₀为激光束近场的光场分布，为连续相位板(CPP)的附加相位，“FT”表示傅里叶变换，“||”表示取绝对值。

6.根据权利要求1或2所述的径向光束匀滑方法，其特征在于所述光克尔介质(4)为石墨烯、或二硫化碳。

7.根据权利要求1-6任一项所述径向光束匀滑方法所采用的匀滑装置，包括种子光输出单元(1)，预放大系统(2)，主放大系统(6)，反射镜(7)，连续相位板(8)，聚焦透镜(9)，靶面(10)；其特征在于还包括径向光束匀滑装置，该径向光束匀滑装置由皮秒激光器(11)，光纤脉冲堆积单元(12)，透镜(13)，二向色镜(3)，光克尔介质(4)和滤光元件(5)组成；其中，所述光纤脉冲堆积单元(12)由分束器(14)、多路光纤(16)和合束器(15)组成；按照光路描述：从种子光输出单元(1)输出的激光束依次经过预放大系统(2)、二向色镜(3)、光克尔介质(4)，滤光元件(5)、主放大系统(6)、反射镜(7)和连续相位板(8)后，最后经聚焦透镜(9)聚焦在靶面(10)上；从皮秒激光器输出的高斯脉冲经过光纤脉冲堆积单元得到周期性高斯光束，再经透镜、二向色镜耦合到光传输链中，经过光克尔介质后，其受到周期性高斯脉冲即泵浦光的作用产生的周期性球面位相调制，并实时调制所述光传输链中激光束的透射波前；同时周期性高斯脉冲被滤光元件滤除；所述光传输链中激光束的透射波前受到周期性球面位相调制后，依次经过主放大系统、反射镜和连续相位板，再经聚焦透镜聚焦到靶面；激光束的远场光斑大小发生周期性变化，引起远场焦斑内部散斑在径向的快速扫动，在光传输链中积分时间内，实现对靶面的径向匀滑。

8.根据权利要求7所述的匀滑装置，其特征在于所述径向光束匀滑装置中的皮秒激光器(11)采用可调谐皮秒激光器；或选用钛宝石皮秒激光器，或掺Yb³⁺光纤皮秒激光器。

9.根据权利要求6或7所述的匀滑装置，其特征在于所述径向光束匀滑装置中所述皮秒激光器(11)输出高斯脉冲的半高全宽的脉宽T_w应与所述光传输链中的积分时间相近；所述积分时间△t为10ps至1ns之间。

10.根据权利要求6所述的匀滑装置，其特征在于所述滤光元件(5)为旋光片、或滤光片，或空间滤波器的一种。