CN110515216B - 一种光强和偏振快速旋转的光场调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光强和偏振快速旋转的光场调控方法。该方法是将激光阵列分为两两组合的子光束对，每一子光束对的两子光束间存在频率差，分别经过不同的螺旋相位板变成不同的涡旋光束，再分别经过不同的偏振控制板变成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，最后使两子光束叠加，从而产生光强和偏振快速旋转的光场。该光强和偏振快速旋转的光场可用于提高激光阵列的远场焦斑的均匀性，以及减小激光在等离子体中的背向散射。

Description

一种光强和偏振快速旋转的光场调控方法

技术领域

本发明涉及一种光场调控方法，具体涉及一种光强和偏振快速旋转的光场调控方法。

背景技术

在激光驱动的惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion,ICF)装置中，广泛采用了多种空域和时域的束匀滑技术来实现对激光光束远场焦斑均匀性的控制，以满足物理实验要求的可控精密靶面光场分布。在已有的空域束匀滑技术中，常采用连续相位板(Continuous Phase Plate,CPP)来控制激光光束远场焦斑包络，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非线性不稳定效应的产生，从而降低激光束对靶丸的压缩对称性，甚至导致点火失败。因此，需要结合时域束匀滑技术和偏振匀滑技术以抑制散斑的存在。所述时域束匀滑技术以光谱角色散匀滑(Smoothing by Spectral Dispersion,SSD)技术为主流，其基本原理是通过电光调制器对激光束进行时间相位调制和利用光栅进行光谱角色散，以实现焦斑内部散斑在光栅色散方向的平移扫动，以改善焦斑均匀性。所述偏振匀滑(Polarization Smoothing,PS)技术则是利用双折射光楔改变激光阵列中两子光束的偏振态，使子光束的偏振态两两正交，从而瞬时提高焦斑辐照均匀性。通过对激光束在等离子体中背向散射的研究表明，STUD(Spike Trains of Uneven Duration and Delay,STUD)脉冲中子脉冲序列所具备的皮秒量级间歇式开关作用有利于抑制包括受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering,SRS)和受激布里渊散射(Stimulated BrillouinScattering,SBS)在内的背向散射，而通过使光场的偏振态在皮秒时间尺度内快速旋转也可以抑制背向散射。然而，连续相位板、光谱角色散技术和偏振匀滑技术均不能使光场在皮秒时间尺度内快速变化。因此，需发展一种使光强和偏振快速旋转的光场调控方法，以在改善靶面辐照均匀性的同时有效地抑制背向散射。

发明内容

本发明的目的正是为克服现有技术中所存在的缺陷与不足，提供光强和偏振快速旋转的光场调控方法。在激光阵列中，将其分为两两组合的子光束对，每一子光束对的两子光束间存在频率差，分别经过不同的螺旋相位板变为不同的涡旋光束，再分别经过偏振控制板后变为左旋和右旋圆偏振光，最后使两子光束叠加，从而产生光强和偏振快速旋转的光场。

本发明提出的光强和偏振快速旋转的光场调控方法可用于直接和间接驱动的ICF装置，以改善远场焦斑均匀性和抑制背向散射。

本发明提出的光强和偏振快速旋转的光场调控方法还可用于多种激光与等离子体相互作用系统，以抑制背向散射等非线性效应。

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：光强和偏振快速旋转的光场调控方法，所述光场的调控方法包括如下步骤：首先，将激光阵列分为两两组合的子光束对，每一子光束对的两子光束存在频率差且分别插入不同的螺旋相位板，使其分别变为拓扑荷数不同的涡旋光束。然后，利用偏振控制板使两子光束分别变为左旋和右旋圆偏振光。最后，使两子光束叠加。由于工作频率、拓扑荷数和偏振态不同，每一子光束对叠加光场的光强和偏振均随时间快速旋转。

进一步地，所述频率差可以是子光束的初始工作频率不同，也可以是在对子光束进行啁啾调制后引入子光束间的延时，从而使子光束间存在频率差。

进一步地，所述频率差在100吉赫兹至10太赫兹之间，以使光场在皮秒时间尺度内快速旋转。

进一步地，所述螺旋相位板的拓扑荷数不同，以使两子光束叠加后的光强快速旋转。

进一步地，所述光强和偏振快速旋转的光场调控方法既可以使两子光束在近场叠加，又可以使两子光束经聚焦后在远场叠加。

进一步地，所述光强和偏振快速旋转的光场调控方法在用于ICF装置时，还需在每一子光束中插入连续相位板，并使子光束经透镜聚焦后在远场叠加，以控制远场焦斑的包络。

进一步地，所述设计中，每一子光束对经过螺旋相位板和偏振控制板后，其在近场叠加的光场分布可以表示为：

式中，

分别为左旋偏振和右旋圆偏振的单位矢量，r为极坐标，σ为束腰半径，l、l′分别为两子光束的拓扑荷数，

为幅角，ω、ω′分别为两子光束的工作频率。

进一步地，所述设计中，每一子光束对经过螺旋相位板和偏振控制板后，其通过透镜聚焦后在远场叠加的光场分布可以表示为：

式中，k＝2π/λ为波矢，λ为波长，f为透镜焦距，(x,y)和(x_f,y_f)分别为近场和远场的坐标。

进一步地，不妨设l＝-l′，则由公式(1)可以得到每一子光束对在近场的光强分布为：

式中，I_nx、I_ny表示x、y偏振方向的近场光强分布，Δω＝ω-ω′为频率差。

进一步地，不妨设l＝-l′，则由公式(2)可以得到每一子光束对在远场的光强分布为：

式中，

进一步地，由公式(1)和(2)可以得到每一子光束对在叠加后的琼斯矩阵为：

进一步地，从公式(5)可以看出，叠加后光场的偏振态随时间快速旋转，其旋转频率等于频率差。

本发明所述的光强和偏振快速旋转的光场调控方法，可通过激光束叠加以后在近场或远场的光强分布和偏振态发生旋转，以抑制激光在等离子体中的背向散射。

本发明所述的光强和偏振快速旋转的光场调控方法，还可与主流的光谱角色散技术联用，以进一步改善焦斑的均匀性。

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.本发明首次提出了光强和偏振快速旋转的光场调控方法，其光强和偏振同时旋转，且其旋转周期均为皮秒时间尺度。

2.本发明所述的光强和偏振快速旋转的光场调控方法，与已有的SSD、CPP和PS相比，能在皮秒时间尺度内改善辐照均匀性，并有效地抑制激光在等离子中的背向散射。

以上说明仅仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可按说明书的内容予以实施，以下为本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如下。

附图说明

图1为本发明实现所述光强和偏振快速旋转的光场调控方法的原理图；

图2为本发明所述光强和偏振快速旋转的光场调控方法用于ICF装置的示意图；

图3为本发明所述光强和偏振快速旋转的光场调控方法用于ICF装置时，频率差分别为560GHz、1560GHz，在单独使用快速旋转光场调控方法、单独使用SSD、快速旋转光场调控方法与SSD联用时，其焦斑的光通量对比度随积分时间变化规律；

图4为本发明所述光强和偏振快速旋转的光场调控方法用于ICF装置时，频率差分别为560GHz、1560GHz，在快速旋转光场调控方法与SSD联用时，其焦斑内部任一空间位置光强随时间的变化曲线；

图5为本发明所述光强和偏振快速旋转的光场调控方法用于ICF装置时，频率差分别为560GHz、1560GHz，在快速旋转光场调控方法与SSD联用时，其对光束背向散射(SRS和SBS)的抑制比随子光束强度比的变化曲线。

图2中，1光栅阵列，2连续相位板，3螺旋相位板，4偏振控制板，5聚焦透镜，6远场焦面。

实施方式

下面结合附图并用实施例对本发明的实施方式做进一步详细描述，有必要在此指出的是所述实施例只是用于对本发明的进一步描述，而并不意味着对本发明保护范围的任何限定。

实施例1

本实施例中子光束对的两子光束的中心波长为351nm，波长差为

所用螺旋相位板的拓扑荷数为±2。

图1给出了两子光束在近场叠加后，其光强分布随时间的变化。图中结果充分说明了本发明所述的光强和偏振快速旋转光场的调控方法的有效性。

通过上述实施例1及附图的展示，表明了本发明所述的光强和偏振快速旋转的光场调控方法能够使光场在近场快速旋转。

实施例2

本实施例中子光束对的两子光束的中心波长为351nm，波长差为

口径为360×360m,聚焦透镜焦距f＝7.7m，所用螺旋相位板的拓扑荷数为±2。

图2为本发明所述光强和偏振快速旋转的光场调控方法用于ICF装置的示意图。为方便比对，将所述快速旋转光场调控方法与二维SSD联用，其中，二维SSD的参数参照文献(Zheqiang Z,Jian W,Pengcheng H,et al.Multidirectional smoothing by spectraldispersion scheme based on hybrid dispersion grating[J].Journal of theOptical Society of America B,2018,35(7):1741)进行选取，即时间相位调制的频率ωm＝17GHz，调制深度δ＝2.33。

图3～图5对实施例2中的快速旋转光场调控方法用于ICF装置时，对焦斑均匀性的改善效果和对背向散射的抑制特性进行了展示。图中结果充分说明了本发明所述的快速旋转光场调控方法的有效性和可行性。

图3所示，对比了频率差分别为560GHz、1560GHz，在单独使用快速旋转光场调控方法、单独使用SSD、快速旋转光场调控方法与SSD联用时，其焦斑的光通量对比度随积分时间变化规律。

为定量分析焦斑均匀性的改善程度，采用焦斑的光通量对比度来评价，光通量对比度越小表明焦斑均匀性越好，其计算公式如下：

式中，I_i,j(x,y)为焦斑(x,y)位置处的光强，

为平均光强。

图3所示，在单独使用快速旋转光场调控方法时，其焦斑光通量对比度不随积分时间发生变化，这是因为x、y偏振方向的光强在空间是互补的，其旋转不会改善均匀性，与公式(3)的分析结果一致。在单独使用SSD时，焦斑均匀性随积分时间的增加下降。在快速旋转光场方法与SSD联用时，焦斑均匀性随积分时间的增加而更快地下降，且频率差对其下降趋势和规律影响较小。

图4(a)和(b)所示，对比了频率差分别为560GHz、1560GHz，在快速旋转光场调控方法与SSD联用时，其焦斑内部任一空间位置光强随时间快速变化，其变化速率取决于频率差。频率差越大，其变化周期越短；频率差分别为560GHz、1560GHz时，对应的变化周期为1.8ps、0.64ps。

图5所示，频率差分别为560GHz、1560GHz，在快速旋转光场调控方法与SSD联用时，其对背向散射的抑制比随参与合成的两子光束强度比的变化曲线。参照文献(Barth I,Fisch N.Reducing parametric backscattering by polarization rotation[J].Physics of Plasmas,2016,23(10):103001.)对激光在等离子体中的背向散射进行分析，即其背向散射的抑制比随子光束强度比的变化满足：

式中，p为子光束强度比。Γ₀为有效参数，随激光等离子体参数发生改变。在间接驱动的ICF装置中，对于外环光束而言，SBS占主导作用，且当频率差为560GHz时，Γ₀＝5.2；对于外环光束而言，SRS占主导作用，且当频率差为1560GHz时，Γ₀＝3.7。

图5所示，对于外环光束的SBS而言，其子光束一的背向散射抑制比随着强度比的增加而增加，而子光束二的背向散射抑制比随着强度比的增加而减小。外环光束的全光场背向散射抑制比呈现先减小后增大的趋势，且当子光束强度比p＝0.5时得到极小值。值得指出的是，外环光束的SRS也会得到相应的抑制，且其背向散射抑制比与SBS相同。

图5所示，对于内环光束的SRS而言，其子光束一的背向散射抑制比随着强度比的增加而增加，而子光束二的背向散射抑制比随着强度比的增加而减小。外环光束的全光场背向散射抑制比呈现先减小后增大的趋势，且当子光束强度比p＝0.5时得到极小值。图中结果充分说明了本发明所述的快速旋转光场调控方法在抑制激光等离子体中的背向散射的有效性。

本发明所述实施例仅给出了具体的应用例子，但对于从事激光驱动的惯性约束聚变装置、激光与等离子体相互作用的研究人员而言，还可根据以上启示设计出多种用于光强和偏振快速旋转的光场调控方法，这仍被认为涵盖于本发明之中。

Claims (8)

1.一种光强和偏振快速旋转的光场调控方法，其特征在于将激光阵列分为两两组合的子光束对，每一子光束对的两子光束间存在频率差，分别经过不同的螺旋相位板变成不同的涡旋光束，再分别经过不同的偏振控制板变成左旋圆偏振和右旋圆偏振光，最后使两子光束叠加，从而产生光强和偏振快速旋转的光场。

2.根据权利要求1所述的快速旋转的光场的产生方法，其特征在于叠加后光场的光强和偏振态同时发生旋转，其旋转周期取决于参与叠加光束的频率差，且均为皮秒时间尺度。

3.根据权利要求1所述的快速旋转的光场的产生方法，其特征在于子光束可以在近场叠加，也可以经透镜聚焦后在远场叠加，均可使光场的光强和偏振态快速旋转。

4.根据权利要求1所述的快速旋转的光场的产生方法，其特征在于子光束间存在频率差，频率差可以是子光束的初始工作频率不同导致的，也可以是对子光束进行啁啾调制后引入子光束间的延时导致的。

5.根据权利要求1所述的快速旋转的光场的产生方法，其特征在于子光束因经过的螺旋相位板不同而变成不同的涡旋光束，从而产生光强的快速旋转。

6.根据权利要求1所述的快速旋转的光场的产生方法，其特征在于参与叠加的子光束的偏振态分别为左旋圆偏振和右旋圆偏振，从而使叠加光场的偏振快速旋转。

7.根据权利要求1所述的快速旋转的光场的产生方法，其特征在于光场的光强和偏振态同时快速旋转后，能够有效地改善远场焦斑均匀性。

8.根据权利要求1所述的快速旋转的光场的产生方法，其特征在于光场的光强和偏振态同时快速旋转后，能够有效地抑制激光在等离子体中的受激拉曼散射和受激布里渊散射。

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