CN109683327A - 基于等离子体调控的光束焦斑整形及动态控制系统和方法 - Google Patents

基于等离子体调控的光束焦斑整形及动态控制系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于等离子体调控的光束焦斑整形及动态控制系统和方法，属于激光光束控制技术领域。针对光束焦斑形态和尺寸有快速变化的动态需求，所述系统在光束聚焦的近场或准近场区域引入等离子体器件，利用等离子体的色散性质，通过对其密度和厚度进行调控，实现连续相位板的整形功能；利用等离子体的动态性质，通过其扩散和复合等物理效应形成动态波前的功能，实现光束焦斑的动态整形。本发明可实现焦斑形态的连续变化，整个过程且近场都具有能量全部使用和位相整体随机的特点，从而在整个动态过程中不影响光束性能；由于等离子体介质相对传统固体介质有极高的损伤阈值，可以应用在高功率/高能激光装置的任何位置，增强了方法应用的灵活性。

Description

基于等离子体调控的光束焦斑整形及动态控制系统和方法
技术领域
本发明属于激光光束控制技术领域，具体涉及一种基于等离子体调控的光束焦斑整形及其动态控制的系统和方法。
背景技术
在惯性约束聚变的直接驱动研究中，靶丸表面辐照非均匀性和烧蚀等离子区域的交叉能量转移是影响物理性能的两个重要问题，它们对激光焦斑的要求相互矛盾，因此提出了动态焦斑的思想用来平衡这两个物理过程(I V Igumenshchev,D H Froula,D HEdgell et al,Laser-beam zooming to mitigate crossed-beam energy losses indirect-drive implosion.Physics Review Letters.2013,110:145001)。
实现动态焦斑的器件必须具备纳秒量级的响应速度且有足够变化量，这种类型的器件并不常见，目前，国内外报道实现光束焦斑在纳秒量级动态整形的技术主要有两种。
第一种是通过光束在时空上独立控制实现的随时改变的位相转换(H Froula,I VIgumenshchev,D T Michel et al,Mitigation of cross-beam energy transfer:Implication of two-state focal zooming on OMEGA,Physics of Plasmas,2013,20:082704)。它采用一种新的相位板设计，称之为变焦相位板，变焦相位板在径向上的不同区域设计了两套整形焦斑。它的中心区域(1/4光束面积)产生一个大的整形焦斑，在其外围区域(3/4光束面积)产生一个小的整形焦斑。为匹配这种空间分布，激光脉冲进行了切分，脉冲的前沿和主脉冲部分独立产生，两者的输出面积匹配变焦相位板，即小光束口径的前沿脉冲和一个中心掏孔的主驱动脉冲，精密控制两者的时序，使其在放大器的前级完成这种时空的组合。这种技术手段可实现二态化的动态变焦，但不足之处有三点：一是动态变焦为二态模式，可设计的自由度受限，无法满足复杂的动态焦斑要求；二是由于在近场的分区，其峰值能量和功率的时刻对应的近场不能覆盖整个近场区域，因而限制了打靶的峰值能量和峰值功率；三是产生两类焦斑的光束F数不同，因此焦斑内部的散斑特性也不同。
第二种是在高功率激光装置的前级通过主动控制波前用于动态变焦(Zhong Z Q,Hu X C,Zhang B,Fast focal zooming scheme for direct drive fusion implementedby inserting KD2PO4crystal[J],Optics Communications,2016,369:145-151)。该方法提出了在前级采用电光晶体主动控制波前，初始阶段采用离焦打靶，离焦波前用于扩大焦斑，在脉冲发展的过程中，电光晶体产生一个补偿预设离焦的量，从而缩小在靶丸表面的光束焦斑，实现动态焦斑。该技术的不足之处有三点：首先体现在脉冲初始时刻对光束均匀性要求最高，而此时聚焦光斑为离焦打靶，激光器的动态畸变和近场不均匀性对离焦的焦斑形态影响较大，限制了初始焦斑的性能；第二，该方案为前级波前的动态调整，它对光束的传输、频率转换等都会造成一定的影响，在一定程度上限制了光束动态变焦的上限；第三，该技术方案在工程实现上也有较大的难度，体现在：变焦速度对高电压的变化速度提出了近乎苛刻的要求，现阶段的技术手段难以实现。
综上所述，高功率激光装置中光束动态焦斑是一个新兴的研究方向。目前现有技术所提出的各种技术手段均存在明显的弊端，需要开拓思维，发展新型的动态焦斑技术。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的光束动态焦斑方法的不足，提供一种基于等离子体调控的光束焦斑整形和动态控制的系统和方法，采用等离子体作为光学器件，可实现光束焦斑的连续动态变化，且近场时刻具有能量全部使用和位相整体随机的特点，相对已有方式在整个动态过程中不影响光束性能。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于等离子体调控的光束焦斑整形及动态控制系统，包括入射主激光(1)、聚焦透镜(3)，入射主激光(1)通过聚焦透镜(3)后在远处的焦平面(4)聚焦后生成光束焦斑；所述系统还包括在光束聚焦的近场或准近场区域放置有利用等离子体构建的、具有连续相位板和动态特性的等离子体光学器件(2)，通过对等离子体光学器件(2)的参数进行调控，按照目标焦斑动态演化的要求设计出等离子体形成的位相分布，并进一步分解出等离子体的动态演化函数，实现连续相位板的整形和光束焦斑的动态控制。
所述等离子体形成的位相为分解为
式(4)中为等离子体初始位相分布，η(x0,y0,t)为等离子体演化的动态函数，通过对等离子体的参数设计，得到使等离子体按照所设计的目标进行演化的等离子体光学器件(2)。
等离子体光学器件(2)的参数至少包含等离子体材料、等离子体温度、等离子体密度区间、等离子体光学器件在光路中的应用位置。
根据激光等离子体相互作用的规律确定等离子体的密度区间选择为0.1％-1％的临界密度区间。
等离子体光学器件在光路中的应用位置包括聚焦前的近场位置和聚焦中的准近场位置，应用位置的选择根据创造等离子体的方式所决定。
另一方面，本发明提供了一种基于等离子体调控的光束焦斑整形及动态控制方法，所述方法是基于前述任一基于等离子体调控的光束焦斑整形及动态控制系统实现的，具体为
光束通过等离子体光学器件(2)后，其引入的位相分布为位相分布对应的光束焦斑强度分布为I(x,y,t)，首先对等离子体光学器件(2)的参数进行调控，从而实现光束近场位相分布的调整，进而实现光束焦斑的整形和控制；
当焦斑的要求是动态的，根据光束焦斑轮廓分布要求Iobjn(x,y,tn)，由连续相位板的设计方法，在以等离子体动态演化而约束的光束近场条件下获得近场相位分布然后计算出对应的等离子体密度分布ne(x0,y0,t)并进行调整，进而实现动态光束焦斑的整形和控制。
所述位相分布为为
公式(1)中λ为光束波长，ne(x0,y0,t)为等离子体密度分布，x0,y0为光束近场坐标，t为时间，nc为针对波长λ的等离子体临界密度，l(x0,y0)为等离子层的厚度；
所述位相分布对应的光束焦斑强度分布为I(x,y,t)为：
公式(2)中“F”表示傅里叶变换，c'为常数项，x,y为远场坐标，E为光束近场振幅；
由所述连续相位板的设计方法，通过调整光束近场的位相分布可实现远场的焦斑控制。
当焦斑的要求是动态的，则光束焦斑强度分布Iobjn(x,y,tn)为
由所述连续相位板的设计方法获得在各时刻的光束近场位相分布，并在等离子体动态演化而约束的光束近场相位演化条件下，针对逐渐变化的焦斑整形目标，设计出对应的等离子体密度分布ne(x0,y0,t)。
当动态光束焦斑强度分布Iobjn(x,y,tn)的形态不变，尺寸演化要求为随时间线性变小，线性变化率为1/T0，设计结果为：
根据初始焦斑强度要求，由所述连续相位板的设计方法确定等离子体产生的初始位相
随时间演化的动态函数η(x0,y0,t)的表达式为
基于设计出的η(x0,y0,t)进一步设计等离子体的状态参数，要求等离子体在厚度l(x0,y0)上存在空间分布，l(x0,y0)的分布要求能满足确定的等离子体初始位相而密度ne(x0,y0)均匀分布并随时间衰减，此时ne(x0,y0,t)简化为ne(t)，再根据公式(1)，获得等离子体密度随时间的变化要求
确定等离子体密度随时间的变化需求ne(t)后，再通过对等离子体的参数进行调整得到满足公式(6)的等离子体密度分布ne(t)的变化需求，所述调整的等离子体参数至少包括等离子体材料、等离子体密度和等离子体温度。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明提出的基于等离子体调控的光束焦斑整形及其动态控制的系统和方法，将等离子体作为介质实现光束动态变焦，可实现焦斑的连续动态变化，且近场时刻具有能量全部使用和位相整体随机的特点，因此相对已有方式在整个动态过程中不影响光束性能，性能具体包含峰值能量、峰值功率、焦斑均匀性、散斑尺寸等；
2.本发明提出的基于等离子体调控的光束焦斑整形及其动态控制的系统和方法，由于等离子体介质相对传统固体介质有极高的损伤阈值，可以应用在高功率/高能激光装置的任何位置，增强了方法应用的灵活性。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明中等离子体光学器件应用于聚焦前近场位置的光路示意图。
图2是本发明中等离子体光学器件应用于聚焦中准近场位置的光路示意图。
图3是本发明的利用等离子体厚度层分布构成的连续位相分布图。
图4是本发明的利用等离子体密度的动态演化形成的焦斑动态变化，(a)-(f)中，t的取值分别为0，0.1T0，0.2T0，0.3T0，0.4T0，0.5T0，对应的焦斑长轴尺寸分别为1000μm，900μm，800μm，700μm，600μm，500μm。
其中，1-入射主激光，2-等离子体光学器件，3-聚焦透镜，4-焦平面。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。
实施例1
一种基于等离子体调控的光束焦斑整形及动态控制系统，其中入射主激光(1)通过聚焦透镜(3)后在远处的焦平面(4)聚焦后生成光束焦斑。为了实现对光束焦斑的动态控制，所述系统在光束聚焦的近场或准近场区域放置有利用等离子体构建的、具有连续相位板和动态特性的等离子体光学器件(2)，利用等离子体的色散性质通过对等离子体光学器件(2)的密度和厚度进行调控，然后根据连续相位板的设计理论，按照目标焦斑动态演化的要求，设计出等离子体形成的位相分布的并进一步分解出等离子体的动态演化函数η(x0,y0,t)，实现连续相位板的整形；同时利用等离子体的动态性质，通过其扩散和复合等物理效应形成的动态功能，实现光束焦斑的动态整形。
首先对等离子体动态演化的原理与设计进行说明。通过理论分析和实验数据显示等离子体因碰撞、扩散其密度将由非均匀向均匀分布过渡，因复合其电离度由极大值向零过渡，这符合惯性约束聚变所要求的焦斑动态整形的变化方向(焦斑由大变小)。所述等离子体形成的位相可分解为
式中为等离子体初始位相分布，η(x0,y0,t)为等离子体演化的动态函数，通过对等离子体的参数设计，可实现让等离子体按照所设计的目标进行演化。等离子体的参数至少包括等离子体密度、等离子体材料和等离子体温度。
(1)对于等离子体密度区间的选择，由于激光与等离子体相互作用有多种丰富的物理效应，首先选择合适的等离子体密度区间，可以使得等离子体对入射光束的色散效应起主导作用，尽可能在空间分布上产生较大的位相差，并且不产生各种复杂的非线性效应。在一个实施例中根据激光等离子体相互作用的规律，要求等离子体的密度选择为0.1％-1％的临界密度区间。
(2)对于等离子体的材料参数和温度参数，例如，高Z材料的等离子体的膨胀速度慢于低Z材料等离子体，这是因为高Z材料的电荷质量比远小于低Z材料，因此它有较低的等离子体声速和较慢的等离子体运动速度，在等离子体材料的选择中，通过等离子体的扩散速度与动态变焦相匹配确定材料选择，并考虑多重材料的混合以达到可能较为复杂的动态变焦变化；而等离子体的温度体现为等离子体中电子和离子的运动速度，决定了等离子体碰撞扩散和碰撞复合的速度，设计合适的温度对等离子体密度的动态变化有重要的影响。对于等离子体密度区间的选择，由于激光与等离子体相互作用有多种丰富的物理效应，首先选择合适的等离子体密度区间，可以使得等离子体对入射光束的色散效应起主导作用，尽可能在空间分布上产生较大的位相差，并且不产生各种复杂的非线性效应。在一个实施例中根据激光等离子体相互作用的规律，要求等离子体的密度选择为0.1％-1％的临界密度区间。
(3)对于等离子体光学器件在光路中的应用位置选择，本发明实施例提供了两种等离子体光学器件在光路中的应用位置，分别为聚焦前的近场位置(如图1)和聚焦中的准近场位置(图2)所示，具体应用位置的选择根据创造等离子体光学元件的方式所决定。
实施例2
在一个实施例中等离子体光学器件(2)被放置在聚焦透镜(3)前，如图1所示。光束通过等离子体光学器件(2)后，其引入的位相分布为：
式中λ为光束波长，ne(x0,y0,t)为等离子体密度分布，x0,y0为光束近场坐标，t为时间，nc为针对波长λ的等离子体临界密度，l(x0,y0)为等离子层的厚度。公式(1)的位相分布对应的光束焦斑强度分布为
公式(2)中“F”表示傅里叶变换，c'为常数项，x,y为远场坐标，E为光束近场振幅。
由前述实施例1中的连续相位板的设计理论和方法，可通过调整光束近场的位相分布即可实现远场的焦斑I(x,y,t)进行控制。如果焦斑的要求是动态的强度分布Iobjn(x,y,tn)，如式(3)所示，此时则要求在近场相位的设计过程中加入以等离子体动态演化而约束的光束近场相位演化条件。计算显示该条件下，针对逐渐变小的焦斑整形目标，即可设计出对应的等离子体密度分布ne(x0,y0,t)。
实施例3
本实施例为假定焦斑动态Iobjn(x,y,tn)演化的要求为随时间线性变小的条件下的具体参数设计方法，此时对进行了具体设计，其中一种设计结果如下：初始的相位分布如图3所示，则随时间演化的动态函数η(x0,y0,t)的表达式为
其中T0是焦斑线性变化的速率参数。
如图4模拟了在图3的初始位相和公式(5)的动态函数下焦斑的形态特性，其中(a)-(f)中，t的取值分别为0，0.1T0，0.2T0，0.3T0，0.4T0，0.5T0，此时近场时刻具有能量全部使用和位相整体随机的特点，对应的焦斑形态一致，长轴尺寸分别为1000μm，900μm，800μm，700μm，600μm，500μm。由图可见，动态焦斑尺寸在特定时刻与目标完全吻合，且各焦斑保持位相一致的均匀性，实现了在动态演化中不损失光束的其它性能。
基于设计出的η(x0,y0,t)，进一步设计等离子体的状态参数，根据公式(5)确定的表达式，要求等离子体在厚度l(x0,y0)上存在空间分布，l(x0,y0)的分布要求能满足图3所对应的的要求；而密度ne(x0,y0)均匀分布并随时间衰减，此时ne(x0,y0,t)可简化为ne(t)，再根据公式(1)，获得等离子体密度随时间的变化要求
进一步通过对等离子体的密度、材料和温度等参数的设计完成满足公式(6)的等离子体密度分布ne(t)的变化需求。
综上所述，本发明提供一种基于等离子体调控的光束焦斑整形及其动态控制的系统和方法，本方案可对等离子体状态的要求进行设计，并可实现焦斑的连续动态变化，且在整个动态过程中不影响光束性能。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种基于等离子体调控的光束焦斑整形及动态控制系统，包括入射主激光(1)、聚焦透镜(3)，其特征在于，入射主激光(1)通过聚焦透镜(3)后在远处的焦平面(4)聚焦后生成光束焦斑；所述系统还包括在光束聚焦的近场或准近场区域放置有利用等离子体构建的、具有连续相位板和动态特性的等离子体光学器件(2)，通过对等离子体光学器件(2)的参数进行调控，按照目标焦斑动态演化的要求设计出等离子体形成的位相分布，并进一步分解出等离子体的动态演化函数，实现连续相位板的整形和光束焦斑的动态控制。
2.如权利要求1所述的一种基于等离子体调控的光束焦斑整形及动态控制系统，其特征在于，所述等离子体形成的位相为分解为
公式(4)中为等离子体初始位相分布，η(x0,y0,t)为等离子体演化的动态函数，通过对等离子体的参数设计，得到使等离子体按照所设计的目标进行演化的等离子体光学器件(2)。
3.如权利要求1所述的一种基于等离子体调控的光束焦斑整形及动态控制系统，其特征在于，等离子体光学器件(2)的参数至少包含等离子体材料、等离子体温度、等离子体密度区间、等离子体光学器件在光路中的应用位置。
4.如权利要求3所述的一种基于等离子体调控的光束焦斑整形及动态控制系统，其特征在于，根据激光等离子体相互作用的规律确定等离子体的密度区间选择为0.1％-1％的临界密度区间。
5.如权利要求3所述的一种基于等离子体调控的光束焦斑整形及动态控制系统，其特征在于，等离子体光学器件在光路中的应用位置包括聚焦前的近场位置和聚焦中的准近场位置，应用位置的选择根据创造等离子体的方式所决定。
6.一种基于等离子体调控的光束焦斑整形及动态控制方法，所述方法是基于前述权利要求1-5中任一基于等离子体调控的光束焦斑整形及动态控制系统实现的，其特征在于，
光束通过等离子体光学器件(2)后，其引入的位相分布为位相分布对应的光束焦斑强度分布为I(x,y,t)，首先对等离子体光学器件(2)的参数进行调控，从而实现光束近场位相分布的调整，进而实现光束焦斑的整形和控制；
当焦斑的要求是动态的，根据光束焦斑轮廓分布要求Iobjn(x,y,tn)，由连续相位板的设计方法，在以等离子体动态演化而约束的光束近场条件下获得近场相位分布然后计算出对应的等离子体密度分布ne(x0,y0,t)并进行调整，进而实现动态光束焦斑的整形和控制。
7.如权利要求6所述的一种基于等离子体调控的光束焦斑整形及动态控制方法，其特征在于，所述位相分布为为
公式(1)中λ为光束波长，ne(x0,y0,t)为等离子体密度分布，x0,y0为光束近场坐标，t为时间，nc为针对波长λ的等离子体临界密度，l(x0,y0)为等离子层的厚度；
所述位相分布对应的光束焦斑强度分布为I(x,y,t)为：
公式(2)中“F”表示傅里叶变换，c'为常数项，x,y为远场坐标，E为光束近场振幅；
由所述连续相位板的设计方法，通过调整光束近场的位相分布可实现远场的焦斑控制。
8.如权利要求6所述的一种基于等离子体调控的光束焦斑整形及动态控制方法，其特征在于，当焦斑的要求是动态的，则光束焦斑强度分布Iobjn(x,y,tn)为
由连续相位板的设计方法获得在各时刻的光束近场位相分布，并在等离子体动态演化而约束的光束近场相位演化条件下，针对逐渐变化的焦斑整形目标，设计出对应的等离子体密度分布ne(x0,y0,t)。
9.如权利要求8所述的一种基于等离子体调控的光束焦斑整形及动态控制方法，其特征在于，
当动态光束焦斑强度分布Iobjn(x,y,tn)的形态不变，尺寸演化要求为随时间线性变小，线性变化率为1/T0时，设计结果为：
根据初始焦斑强度要求，由所述连续相位板的设计方法确定等离子体产生的初始位相随时间演化的动态函数η(x0,y0,t)的表达式为
基于设计出的η(x0,y0,t)进一步设计等离子体的状态参数，要求等离子体在厚度l(x0,y0)上存在空间分布，l(x0,y0)的分布要求能满足确定的等离子体初始位相而密度ne(x0,y0)均匀分布并随时间衰减，此时ne(x0,y0,t)简化为ne(t)，再根据公式(1)，获得等离子体密度随时间的变化要求
10.如权利要求8所述的一种基于等离子体调控的光束焦斑整形及动态控制方法，其特征在于，确定等离子体密度随时间的变化需求ne(t)后，再通过对等离子体的参数进行调整得到满足公式(6)的等离子体密度分布ne(t)的变化需求，所述调整的等离子体参数至少包括等离子体材料、等离子体密度和等离子体温度。
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