CN107086431B - 驱动聚变冲击点火的复杂形状非相干激光脉冲的产生方法及装置 - Google Patents

驱动聚变冲击点火的复杂形状非相干激光脉冲的产生方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种驱动聚变冲击点火的复杂形状非相干激光脉冲的产生方法及装置，该方法利用准分子激光器的增益饱和特性在自由运转的非相干光源上实现形状复杂的主脉冲输出，进而将宽度为皮秒量级的预脉冲、点火脉冲与主脉冲堆积构建出核聚变冲击点火所需的激光脉冲。本发明不需要价格昂贵的任意波形发生器和电光调制装置，直接利用了氟化氪准分子激光介质增益饱和特性进行脉冲整形，避免了光学科尔门带来的不确定性，经过放大的控制脉冲序列完全可以用作束靶物理诊断所需诊断激光脉冲的种子光，提高装置的整体利用效率。本发明对应用激光的波长、相干性和偏振性无特殊要求，对于高功率激光脉冲整形具有更好的普适性。

Description

驱动聚变冲击点火的复杂形状非相干激光脉冲的产生方法及 装置
技术领域
本发明属于激光核聚变的激光器设计技术，具体涉及一种驱动聚变冲击点火的复杂形状非相干激光脉冲的产生方法及装置。
背景技术
产生特定形状的高能激光脉冲是激光驱动的冲击点火核聚变一个基本要求。冲击波点火要求高能激光脉冲由超短的尖锋预脉冲，特定形状的主脉冲和脉冲宽度百皮秒量级的冲击点火脉冲三部分构成。脉冲三部分之间的延时需要根据靶丸的设计及激光功率调整。受普克盒性能的限制，也很难用传统的普克盒削波方法实现波形如此复杂的冲击点火激光脉冲。因此，以国家点火装置(NIF)为代表的高能固体激光装置发展了基于光纤光学的脉冲整形技术。
固体高功率激光装置主要采用电光波导调制器将任意波形发生器产生的电压波耦合到单模激光振荡器输出的偏振光脉冲上获得复杂形状的整形激光脉冲，然后通过单模保偏光纤输出。作为激光脉冲整形的核心部件，波导电光调制器材料的选择直接影响着脉冲整形系统的适用波段和整形脉冲的信噪比等性能。受材料特性的制约，目前以LiNbO3波导调制器为代表的光纤整形技术更适用于近红外波段的相干光整形，很难应用于相干性差，波长短的准分子激光装置。
针对高功率氟化氪激光直接驱动的冲击点火，美国海军实验室提出了以光纤光学整形为基础的前端种子光脉冲产生方案。即，利用高能固体激光装置前端光纤电光脉冲整形系统输出的红外光脉冲作为控制脉冲，通过光学科尔门(optical Kerr Gate)耦合到连续输出的部分非相干氟化氪激光上，从而获得预期的激光脉冲形状。如图1所示，沿X方向偏振的部分非相干(ISI)连续光EI与作为控制脉冲的红外相干脉冲EC共轴传输，控制脉冲在X-Y平面的45°方向偏振。四波混合过程中，控制脉冲EC在非线性介质中产生随时间变化的双折射效应，使ISI光EI的偏振方向在X-Y平面发生旋转，从而将希望的脉冲形状耦合在ISI光脉冲的Y偏振分量上，当调制后的ISI光EI通过检偏元件后，沿Y方向偏振的整形脉冲EIY被与沿X方向的偏振分量分离，从而获得与控制脉冲形状一致的控制脉冲。
该方案需要另行建立一套高能固体激光装置前端作为控制脉冲的发生器，而且为有效实现科尔门的控制，需要确保控制脉冲保持一定的强度(GW/cm2)，客观上增加了高能准分子激光系统的复杂性和投资成本。同时，该方案要求ISI光源为X方向的线偏振光，对ISI光源的偏振滤波将造成激光能力的损耗，不利于充分利用高功率准分子激光装置前端的能量。需要指出的是，到目前为止，这一ISI脉冲整形方案的实施效果仍未见报道证实。
总之，对于高功率准分子激光装置，由于其特有的短波长，宽频带，非相干，无偏振特性，目前还有成熟的ISI脉冲整形方案。为满足对直接驱动冲击点火聚变的激光脉冲形状的需求，仍需进一步发展高效易行的复杂形状脉冲产生方法。
发明内容
本发明的目的在于针对海军实验室(NRI)冲击点火脉冲产生方案结构复杂，造价昂贵的不足，提供一种高效易行的驱动聚变冲击点火的复杂形状非相干激光脉冲的产生方法及装置。
本发明的技术方案如下：一种驱动聚变冲击点火的复杂形状非相干激光脉冲的产生方法，将亚纳秒激光器输出的激光脉冲经分束片分束后，一部分亚纳秒激光脉冲经脉冲堆积器组成脉冲序列控制自由运转的放电泵浦准分子激光器腔内的自发辐射产生和放大以获得预期形状的主脉冲(压缩脉冲)；其余部分亚纳秒激光脉冲传输至位于放电泵浦准分子激光器输出端光轴上的偏振分光片，S光被偏振分光片反射作为冲击点火的预脉冲(Picket)沿放电泵浦准分子激光器轴线方向与主脉冲共轴传输，P光透过偏振分光片后被反射镜反射，在此过程中P光两次透过1/4波片使其偏振方向偏转为S光，偏振分光片将反射光脉冲沿放电泵浦准分子激光器轴线方向反射注入激光腔双程放大；所述的反射光脉冲在双程放大过程中再次两次通过1/4波片使其偏振方向偏转至P光，放大后的P偏振亚纳秒脉冲透过所述偏振分光片，作为点火脉冲(Spike)沿放电泵浦准分子激光器轴线方向与主脉冲共轴传输。
进一步，如上所述的驱动聚变冲击点火的复杂形状非相干激光脉冲的产生方法，其中，所述预脉冲和点火脉冲之间的延时能够通过改变光路长度的方式进行调节。
进一步，如上所述的驱动聚变冲击点火的复杂形状非相干激光脉冲的产生方法，其中，所述主脉冲(压缩脉冲)与点火脉冲之间的延时能够通过调节所述亚纳秒激光器和放电泵浦准分子激光器的外触发延时控制。
进一步，如上所述的驱动聚变冲击点火的复杂形状非相干激光脉冲的产生方法，其中，所述获取预期形状的主脉冲的具体方法为：在放电泵浦准分子激光器中脉冲形成初期，自发辐射沿光轴传输并连续放大，此时离轴注入一定强度和形状的激光脉冲作为控制脉冲与自发辐射形成竞争放大，由于工作介质的增益饱和效应，自发辐射的增益系数随着活性区内注入激光的强度增长而降低，因而通过控制轴向传输自发辐射的产生和放大实现非相干(ISI)脉冲的整形；通过调整控制脉冲的形状可以控制工作介质的部分损耗将其波形耦合到自发辐射(ASE)脉冲前沿从而获得特定形状的预补偿脉冲上升沿；放大后的控制脉冲经一定时间延时(～3ns)再次反向注入工作介质活性区与自发辐射竞争放大，由于激光脉冲强度足以使放大介质饱和造成上能级粒子耗尽，则在该激光脉冲离开激光介质活性区之前，自发辐射将不会再发生和放大，从而获得期望的一个陡峭的脉冲后沿。
更进一步，如上所述的驱动聚变冲击点火的复杂形状非相干激光脉冲的产生方法，其中，所获取的预期形状的主脉冲为一个慢上升、快下降的自发辐射光脉冲输出。
一种用于产生上述驱动聚变冲击点火的复杂形状非相干激光脉冲的装置，包括亚纳秒激光器和自由运转的放电泵浦准分子激光器，所述亚纳秒激光器输出的激光脉冲经分束片分束后沿不同光路传输，在传输至放电泵浦准分子激光器的光路上设有脉冲堆积器，在传输至放电泵浦准分子激光器输出端光轴上的偏振分光片的光路端部设有反射镜，所述反射镜与偏振分光片之间设有第一1/4波片，所述偏振分光片与放电泵浦准分子激光器之间设有第二1/4波片，在放电泵浦准分子激光器输出光轴的后端设有端部反射镜。
进一步，如上所述的装置，其中，所述的放电泵浦准分子激光器四周设有若干个用于反射控制激光脉冲的反射镜。
本发明的有益效果如下：本发明所提供的驱动聚变冲击点火的复杂形状非相干激光脉冲的产生方法，与海军实验室利用科尔效应进行脉冲调制的整形方案相比，增益损耗整形方案不再需要类似于NIF前端激光器产生的整形红外激光脉冲作为控制脉冲，因此也不再需要价格昂贵的任意波形发生器和电光调制装置。本发明直接利用了氟化氪准分子激光介质增益饱和特性进行脉冲整形，也避免了光学科尔门带来的不确定性。本发明充分利用了各个偏振方向的光脉冲，从泵浦功率利用效率上也优于必须采用偏振光的海军实验室整形方案。此外，经过放大的控制脉冲序列完全可以用作束靶物理诊断所需诊断激光脉冲的种子光，提高装置的整体利用效率。本发明对应用激光的波长、相干性和偏振性无特殊要求，对于高功率激光脉冲整形具有更好的普适性。
附图说明
图1为美国海军实验室部分非相干脉冲整形方案示意图；
图2为驱动冲击点火所需激光脉冲形状示意图；
图3为驱动聚变冲击点火的复杂形状非相干激光脉冲的产生方法及装置结构示意图；
图4为冲击点火所需整形主脉冲产生过程示意图；
图5为本发明具体实施例中利用超短脉冲和ISI脉冲堆积产生的类冲击点火脉冲。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
对激光直接驱动的冲击点火核聚变而言，虽然靶丸参数不同，但是激光脉冲都拥有相同的基本结构，由预脉冲(Picket)，主脉冲(压缩脉冲)和点火脉冲(Spike)三部分构成(如图2所示)。其中预脉冲和点火脉冲均为宽度为数百皮秒的短脉冲，其脉冲形状不要复杂的内部结构。但是主脉冲则应始于一个10ns左右的低强度脚脉冲，然后缓慢上升至一个宽度为数纳秒(～2.5ns)的高强度平顶(压缩脉冲)。主脉冲平顶之后是一个延时可变的点火脉冲，其脉冲宽度约数百皮秒，因此可以推断，主脉冲尾部的下降沿时间应为亚纳秒量级。
本发明具有准分子激光器的增益饱和特性在自由运转的非相干光源上实现形状复杂的主脉冲输出，进而将宽度为皮秒量级的预脉冲、点火脉冲与主脉冲堆积构建出核聚变冲击点火所需的激光脉冲。
利用脉冲整形的部分非相干光源和亚纳秒激光构建的冲击点火激光脉冲光源如图3所示，包括亚纳秒激光器1和自由运转的放电泵浦准分子激光器6，所述亚纳秒激光器1输出的激光脉冲经分束片2分束后沿不同光路传输，在传输至放电泵浦准分子激光器6的光路上设有脉冲堆积器7，在传输至放电泵浦准分子激光器输出端光轴上的偏振分光片3的光路端部设有反射镜5，所述反射镜5与偏振分光片3之间设有第一1/4波片4，所述偏振分光片与放电泵浦准分子激光器之间设有第二1/4波片8，在放电泵浦准分子激光器输出光轴的后端设有端部反射镜9。
亚纳秒激光器1输出的激光脉冲经分束片2分束后，一部分脉冲经脉冲堆积器7组成特定形状的脉冲序列控制自由运转放电泵浦准分子激光器腔内的自发辐射的产生和放大以获得预期形状的主脉冲(压缩脉冲)。其余部分亚纳秒激光脉冲传输至位于放电泵浦准分子激光器输出端光轴上的偏振分光片3。其S偏振光经被偏振分光片反射作为冲击点火的预脉冲(Picket)沿放电泵浦准分子激光器轴线方向与主脉冲共轴传输。P光透过偏振分光片后被反射镜5反射，由于P光两次透过1/4波片4使其偏振方向偏转为S光，因此偏振分光片将此部分光脉冲沿放电泵浦激光器轴线方向反射注入激光腔双程放大。此亚纳秒脉冲在双程放大过程中再次两次通过1/4波片8使其偏振方向偏转至P光。放大后的P偏振亚纳秒脉冲将通过偏振分光片3，作为点火脉冲(Spike)沿放电泵浦准分子激光器轴线方向与主脉冲共轴传输。预脉冲和点火脉冲之间的延时可以通过改变两个终端反射镜(End Mirror)5、9之间的光路长度实现调节。主脉冲(压缩脉冲)与点火脉冲之间的延时可以通过调节亚纳秒激光器和放电泵浦准分子激光器的外触发延时控制。
部分非相干脉冲产生是自发辐射沿轴向传输和放大的过程，若自发辐射脉冲轴向传输过程中的增益可以随时间改变，则可以输出所希望的整形脉冲。理论上，激光脉冲的产生过程是一个自发辐射在光学增益介质中沿轴向传输并振荡放大的过程，一维光脉冲在[0，L]区间内放大的Frantz-Nodvik方程描述：
方程中N1(x，t)和N2(x，t)分别表示上能态粒子密度和基态粒子密度，n(x，t)表示光子密度。σ表示共振吸收截面，c表示介质中的光速。
由于激光放大器固有的非线性增益特性，不同强度的光脉冲在放大器中的放大倍数是不同的。低强度(Iin＜＜Isat)的光脉冲的放大主要是小信号增益(G＝Exp(g0L))，当入射激光强度超过激光器的饱和光强(Iin)＞Isat)时，光脉冲的放大增益降低。对于自由运转的激光腔，如果在种子光脉冲的上升沿或下降沿分别叠加一个高强度光脉冲，使种子光脉冲该部分因增益介质饱和得到较小的增益，其余光脉冲部分充分放大，从而在放大器输出端得到整形的光脉冲。
冲击点火所需整形主脉冲产生过程如图4所示。亚纳秒激光器1输出的激光脉冲经脉冲堆积器7组成特定形状的脉冲序列经高反镜10、11、12注入自由运转放电泵浦准分子激光器6，从而控制放电泵浦准分子激光器腔内的自发辐射的产生和放大以获得预期形状的主脉冲(整形脉冲)。在放电泵浦准分子激光器中脉冲形成初期，自发辐射沿光轴传输并连续放大。此时离轴注入一定强度和形状的激光脉冲作为控制脉冲与自发辐射形成竞争放大，由于工作介质的增益饱和效应，自发辐射的增益系数随着活性区内注入激光的强度增长而降低，因而通过控制轴向传输自发辐射的产生和放大实现ISI脉冲的整形。通过调整控制脉冲的形状可以控制工作介质的部分损耗将其波形耦合到自发辐射(ASE)脉冲前沿可以获得特定形状的预补偿脉冲上升沿。放大后的控制脉冲经一定时间延时(～3ns)再次反向注入工作介质活性区与自发辐射竞争放大，由于激光脉冲强度足以使放大介质饱和造成上能级粒子耗尽，则在该激光脉冲离开激光介质活性区之前，自发辐射将不会再发生和放大，从而获得期望的一个陡峭的脉冲后沿。
由于氟化氪准分子激光介质的粒子翻转时间(～2ns)，利用增益耗尽之后的粒子自由翻转所能获得的自发辐射脉冲上升沿时间不可能短于2ns。但是通过对激光介质的部分损耗可以控制ASE脉冲的产生过程从而获得缓慢上升沿是完全可行的。但是如果利用增益耗尽对自发辐射脉冲后沿(尾部)进行整形，只要猝熄激光脉冲上升沿足够短(比如采用亚纳秒脉冲构成的激光序列)则可以获得希望的陡峭的脉冲后沿。实验研究证明，在饱和放大条件下，氟化氪准分子激光介质活性区上能级粒子耗尽时间为百皮秒量级或者更短。因此，利用增益耗尽完全可以实现一个慢上升、快下降的自发辐射光脉冲输出。
实施例
天光一号系统由前端的放电泵浦准分子激光器(LPX-150)、三腔并联的初级放电泵浦准分子激光放大器CHEL3300，预放和主放两级电子束泵浦准分子激光放大器以及各级之间的光学原件组构成。系统前端LPX-150被改造成光束均匀性优于2％的无阶梯诱导非相干(EFISI)光源。前端高均匀性的光束截面通过像传递光路在靶面成像以获得高均匀性的靶面辐照。
为开展冲击点火的相关实验研究，在天光装置上开展了非相干脉冲整形的相关工作。其中现有百飞秒紫外光源输出的激光脉冲经放电泵浦激光器放大后展宽至皮秒量级，作为冲击点火脉冲的预脉冲(Picket)和点火脉冲(Spike)。主脉冲则来源于天光一号系统的前端——放电泵浦准分子激光器LPX-150振荡腔。光路布局如图3所示，紫外飞秒系统输出的激光脉冲经放电泵浦准分子激光器放大后展宽至皮秒量级，然后传输至位于自由运转的放电泵浦准分子激光器输出端光轴上的偏振分光片3。皮秒脉冲的S偏振分量经偏振分光片反射后作为冲击点火的预脉冲(Picket)沿放电泵浦激光器轴线方向与主脉冲共轴传输。P光透过偏振分光片后被反射镜5反射，由于P光两次透过1/4波片4使其偏振方向偏转为S光，因此偏振分光片将此部分光脉冲沿放电泵浦激光器轴线方向反射注入激光腔双程放大。此亚纳秒脉冲在双程放大过程中再次两次通过1/4波片8使其偏振方向偏转至P光。放大后的P偏振亚纳秒脉冲将通过偏振分光片，作为点火脉冲(Spike)沿放电泵浦准分子激光器轴线方向与主脉冲共轴传输。预脉冲和点火脉冲之间的延时可以通过改变两个终端反射镜(End Mirror)5、9之间的光路长度实现调节。主脉冲(压缩脉冲)与点火脉冲之间的延时可以通过调节亚纳秒激光器和放电泵浦准分子激光器的外触发延时控制。当作为点火脉冲的皮秒脉冲在准分子激光器放电结束时刻注入激光腔时，由于氟化氪增益介质的上能级寿命为纳秒量级，因此仍可充分放大。当此皮秒脉冲足够强时，将造成增益介质的上能级粒子被充分提取而耗尽，因此自发辐射难以充分放大甚至难以产生，因此可以观察到主脉冲尾部形成陡峭的下降沿。
利用图3所示冲击点火的复杂形状非相干激光脉冲的产生方案在“天光一号”高功率准分子激光系统的种子光源上获得的整形脉冲如图5所示(Tektronix：TDS640)，激光脉冲已经初步具备图2所示的冲击点火激光脉冲轮廓。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种驱动聚变冲击点火的复杂形状非相干激光脉冲的产生方法，其特征在于：将亚纳秒激光器输出的激光脉冲经分束片分束后，一部分亚纳秒激光脉冲经脉冲堆积器组成脉冲序列控制自由运转的放电泵浦准分子激光器腔内的自发辐射产生和放大以获得预期形状的主脉冲；其余部分亚纳秒激光脉冲传输至位于放电泵浦准分子激光器输出端光轴上的偏振分光片，S光被偏振分光片反射作为冲击点火的预脉冲沿放电泵浦准分子激光器轴线方向与主脉冲共轴传输，P光透过偏振分光片后被反射镜反射，在此过程中P光两次透过1/4波片使其偏振方向偏转为S光，偏振分光片将反射光脉冲沿放电泵浦准分子激光器轴线方向反射注入激光腔双程放大；所述的反射光脉冲在双程放大过程中再次两次通过1/4波片使其偏振方向偏转至P光，放大后的P偏振亚纳秒脉冲透过所述偏振分光片，作为点火脉冲沿放电泵浦准分子激光器轴线方向与主脉冲共轴传输。
2.如权利要求1所述的驱动聚变冲击点火的复杂形状非相干激光脉冲的产生方法，其特征在于：所述预脉冲和点火脉冲之间的延时能够通过改变光路长度的方式进行调节。
3.如权利要求1所述的驱动聚变冲击点火的复杂形状非相干激光脉冲的产生方法，其特征在于：所述主脉冲与点火脉冲之间的延时能够通过调节所述亚纳秒激光器和放电泵浦准分子激光器的外触发延时控制。
4.如权利要求1所述的驱动聚变冲击点火的复杂形状非相干激光脉冲的产生方法，其特征在于：所述获得预期形状的主脉冲的具体方法为：在放电泵浦准分子激光器中脉冲形成初期，自发辐射沿光轴传输并连续放大，此时离轴注入一定强度和形状的激光脉冲作为控制脉冲与自发辐射形成竞争放大，由于工作介质的增益饱和效应，自发辐射的增益系数随着活性区内注入激光的强度增长而降低，因而通过控制轴向传输自发辐射的产生和放大实现非相干脉冲的整形；通过调整控制脉冲的形状可以控制工作介质的部分损耗将其波形耦合到自发辐射脉冲前沿从而获得特定形状的预补偿脉冲上升沿；放大后的控制脉冲经一定时间延时再次反向注入工作介质活性区与自发辐射竞争放大，由于激光脉冲强度足以使放大介质饱和造成上能级粒子耗尽，则在该激光脉冲离开激光介质活性区之前，自发辐射将不会再发生和放大，从而获得期望的一个陡峭的脉冲后沿。
5.如权利要求4所述的驱动聚变冲击点火的复杂形状非相干激光脉冲的产生方法，其特征在于：所获得的预期形状的主脉冲为一个慢上升、快下降的自发辐射光脉冲输出。
6.一种用于权利要求1所述的驱动聚变冲击点火的复杂形状非相干激光脉冲的产生方法的装置，其特征在于：包括亚纳秒激光器和自由运转的放电泵浦准分子激光器，所述亚纳秒激光器输出的激光脉冲经分束片分束后沿不同光路传输，在传输至放电泵浦准分子激光器的光路上设有脉冲堆积器，在传输至放电泵浦准分子激光器输出端光轴上的偏振分光片的透射光路端部设有反射镜，所述反射镜与偏振分光片之间设有第一1/4波片，所述偏振分光片与放电泵浦准分子激光器之间设有第二1/4波片，在放电泵浦准分子激光器输出光轴的后端设有端部反射镜。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于：所述的放电泵浦准分子激光器四周设有若干个用于反射控制激光脉冲的反射镜。
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