CN113218637A - 一种全激光功率段谐波转换效率曲线获取方法 - Google Patents

一种全激光功率段谐波转换效率曲线获取方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种全激光功率段谐波转换效率曲线获取方法，属于激光设备技术领域，根据目标时间波形构建指数型时间波形、方波型时间波形，加载指数型时间波形对应的注入时间波形、方波型时间波形对应的注入时间波形，分别得到有效谐波转换效率曲线、方波型时间波形对应的基频功率密度点的谐波转换效率，综合有效谐波转换效率曲线、方波型时间波形对应的基频功率密度点的谐波转换效率，绘制出全激光功率段谐波转换效率曲线，本发明利用激光脉冲的时域信息，操作方法便捷且新颖，覆盖全激光功率段，谐波转换效率数据更加准确，置信度更高，同时，利用激光装置的现有参数测量配置，无需额外添加设备，节约成本。

Description

一种全激光功率段谐波转换效率曲线获取方法
技术领域
本发明属于激光设备技术领域，具体地说涉及一种全激光功率段谐波转换效率曲线获取方法。
背景技术
大型高功率激光装置可以在实验室环境产生前所未有的强电场、强磁场、高压强等极端物态条件，在惯性约束聚变点火、高能量密度物理、天体物理等诸多前沿科学技术领域发挥着不可替代的作用。精密物理实验的持续进步对高功率激光装置的时间波形提出了严苛的要求，不仅要求高功率激光装置具备产生在0.1ns～25ns脉冲宽度范围内任意整形的激光脉冲，而且要求照射到靶丸上的激光脉冲时间波形与所设计的目标时间波形严格一致。实际时间波形偏离目标时间波形将影响精密物理实验束靶耦合的效果，甚至导致实验发次的失败，因此为保障物理实验的顺利有效开展，需要精密调控激光脉冲的时间波形。
激光脉冲时间波形的精密调控首先需要获得准确的谐波转换效率曲线，从而反演推算出放大系统的时间波形，最终由增益特性获得放大系统的注入时间波形。谐波转换效率曲线尚无精确的数学解析形式，采用多项式拟合也无法准确描述其在不同基频功率密度下的转换效率。目前，主要采取在不同基频功率密度下发射，放大系统输出方波型时间波形下，测量放大系统、谐波转换系统的输出能量，通过两者能量比值确定该基频功率密度下的谐波转换效率。根据Wonterghem BMV,Burkhart SC,Haynam CA,et al.National IgnitionFacility commissioning and performance.Optical Engineering at the LawrenceLivermore National Laboratory II:The National Ignition Facility.San Jose,CA,USA；2004.，该方法至少需要6次发射才能拟合出较准确的谐波转换效率曲线。由于大型高功率激光装置每次发射后需要至少冷却3小时以确保系统热平衡，谐波转换效率曲线的获取至少需要2个工作日才能完成，同时，该方法无法遍历获得不同基频功率密度下的谐波转换效率曲线，耗时耗力，效率较低。
发明内容
针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种全激光功率段谐波转换效率曲线获取方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种全激光功率段谐波转换效率曲线获取方法，包括以下步骤：
步骤S1、根据目标时间波形构建指数型时间波形、方波型时间波形；
步骤S2、加载指数型时间波形对应的注入时间波形，在同一实验发次下采集谐波转换系统和放大系统的能量、时间波形，计算不同基频功率密度下的谐波转换效率，并绘制有效谐波转换效率曲线；
步骤S3、加载方波型时间波形对应的注入时间波形，在同一实验发次下采集谐波转换系统和放大系统的能量，计算方波型时间波形对应的基频功率密度点的谐波转换效率；
步骤S4、综合有效谐波转换效率曲线、方波型时间波形对应的基频功率密度点的谐波转换效率，绘制出全激光功率段谐波转换效率曲线。
进一步，所述指数型时间波形是指激光脉冲的时间波形的幅值分布类似于指数型函数，其前沿幅值低、后沿幅值高，幅值增长规律类似于指数。
进一步，所述方波型时间波形是指激光脉冲的时间波形的前沿幅值、后沿幅值相等。
进一步，所述指数型时间波形的功率范围覆盖目标时间波形的功率范围，所述方波型时间波形对应的功率为目标时间波形功率范围的极值点。
优选的，所述目标时间波形功率范围的极值点包括功率最低点和功率最高点，相对应的，方波型时间波形包括功率最低点方波型时间波形和功率最高点方波型时间波形。
进一步，步骤S1中，基于放大系统的增益特性，计算出指数型时间波形、方波型时间波形分别对应的注入时间波形。
进一步，采用F-N方程计算对应的注入时间波形，通过多次测量获得放大系统的注入能量和输出能量，得到放大系统的输入输出响应曲线，根据输入输出响应曲线不断迭代反演出注入时间波形，具体过程可参考高功率激光多程放大系统中快速波形预测(张艳丽)、波动方程时间域全波形反演方法研究(罗嘉)等。
进一步，步骤S2中，将谐波转换系统的时间波形和放大系统的时间波形对齐，按照时间逐点计算不同基频功率密度下的谐波转换效率，筛选出有效数据，并绘制有效谐波转换效率曲线。
进一步，绘制有效谐波转换效率曲线包括：
步骤S21、将谐波转换系统的时间波形和放大系统的时间波形插值成数据长度相同的两列数据，根据时间波形的特征将两列数据对齐；
步骤S22、将能量数据除以时间波形数据，分别得到谐波转换系统的功率数据和放大系统的功率数据；
步骤S23、按照时间逐点的将谐波转换系统的功率数据除以放大系统的功率数据，得到不同基频功率密度下的谐波转换效率；
步骤S24、考虑到波前畸变的影响，导致时间波形的前沿数据和后沿数据存在不准确性，剔除明显违反物理规律的前沿数据和后沿数据，筛选出有效数据，并绘制有效谐波转换效率曲线。
优选的，所述时间波形的特征为极值点或起始点。
优选的，将放大系统的功率数据除以光束面积得到基频功率密度。
进一步，步骤S3中，采用方波型时间波形不需要利用时间波形信息，可以直接进行能量对除，将谐波转换系统的能量除以放大系统的能量得到方波型时间波形对应的基频功率密度点的谐波转换效率。
优选的，分别加载功率最低点方波型时间波形对应的注入时间波形、功率最高点方波型时间波形对应的注入时间波形，得到功率最低点的谐波转换效率、功率最高点的谐波转换效率。
进一步，步骤S4中，将方波型时间波形对应的基频功率密度点的谐波转换效率和有效谐波转换效率曲线合并起来，并对曲线中缺失数据的区域进行近似拟合，绘制出全激光功率段谐波转换效率曲线。
优选的，所述缺失数据的区域位于方波型时间波形对应的基频功率密度点与有效谐波转换效率曲线的功率密度极值点之间。
进一步，在激光装置处于发射状态前，调谐谐波转换系统的晶体失谐状态使其与目标实验发射时保持一致。
优选的，所述目标实验为激光装置处于发射状态下产生目标时间波形。
本发明的有益效果是：
1、利用激光脉冲的时域信息，采集同一实验发次下的能量和时间波形，按照时间逐点提取筛选出不同基频功率密度下的谐波转换效率，并结合方波型时间波形对应的基频功率密度点的谐波转换效率，绘制出全激光功率段谐波转换效率曲线，操作方法便捷且新颖，同时，利用激光装置的现有参数测量配置，无需额外添加设备，节约成本。
2、将指数型时间波形与方波型时间波形相结合，方波型时间波形对应的功率为目标时间波形功率范围的极值点，用以弥补指数型时间波形在功率极值点无法获得准确数据的缺陷。
3、采用指数型时间波形与方波型时间波形，节约了反演推算时间和波形闭环时间，降低了工作强度。
4、激光装置仅需要3次发射便可以获得谐波转换效率曲线，节约了大量时间。
5、相较于现有技术，本发明覆盖全激光功率段，谐波转换效率数据更加准确，置信度更高。
附图说明
图1是本发明的流程框图；
图2是激光装置的结构示意图；
图3(a)是实施例二中指数型时间波形的示意图；
图3(b)是实施例二中指数型时间波形对应的注入时间波形的示意图；
图3(c)是实施例二中功率最低点方波型时间波形的示意图；
图3(d)是实施例二中功率最低点方波型时间波形对应的注入时间波形的示意图；
图4是实施例二中不同基频功率密度下的谐波转换效率示意图；
图5是实施例二中有效谐波转换效率曲线示意图；
图6是实施例二中全激光功率段谐波转换曲线示意图。
附图中：1-放大系统、2-传输链路、3-谐波转换系统、4-第一能量卡计、5-第一光电管、6-第一示波器、7-第二能量卡计、8-第二光电管、9-第二示波器、10-数据接收计算模块。
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。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。
实施例一：
如图1所示，一种全激光功率段谐波转换效率曲线获取方法，包括以下步骤：
步骤S1、根据目标时间波形构建指数型时间波形、方波型时间波形。
所述目标时间波形是指物理实验要求的(打靶)目标波形或者激光装置指标考核时下发的目标波形，所述指数型时间波形是指激光脉冲的时间波形的幅值分布类似于指数型函数，其前沿幅值低、后沿幅值高，幅值增长规律类似于指数，所述方波型时间波形是指激光脉冲的时间波形的前沿幅值、后沿幅值相等。在相同激光脉宽下，指数型时间波形可以提供由低到高、连续变化的较全基频功率密度参数信息。
假定目标时间波形的功率范围为(P1-P2),P1对应功率范围的最低点，P2对应功率范围的最高点。所述指数型时间波形的功率范围覆盖目标时间波形的功率范围，所述方波型时间波形对应的功率为目标时间波形功率范围的极值点，而所述目标时间波形功率范围的极值点包括功率最低点P1和功率最高点P2，相对应的，方波型时间波形包括功率最低点方波型时间波形和功率最高点方波型时间波形。考虑到波前畸变的影响，指数型时间波形的前沿数据和后沿数据存在不准确性，方波型时间波形可以避免时间波形测量时因前沿后沿波形畸变导致时间波形数据不可用的情况。功率最低点方波型时间波形和功率最高点方波型时间波形是为了弥补指数型时间波形在低功率点和高功率点无法获得准确数据的缺陷。
基于放大系统的增益特性，计算出指数型时间波形、方波型时间波形分别对应的注入时间波形。具体的，采用F-N方程计算对应的注入时间波形，通过多次测量获得放大系统的注入能量和输出能量，得到放大系统的输入输出响应曲线，根据输入输出响应曲线不断迭代反演出注入时间波形，具体过程可参考高功率激光多程放大系统中快速波形预测(张艳丽)、波动方程时间域全波形反演方法研究(罗嘉)等。
步骤S2、加载指数型时间波形对应的注入时间波形，在同一实验发次下采集谐波转换系统和放大系统的能量、时间波形，将谐波转换系统的时间波形和放大系统的时间波形对齐，按照时间逐点计算不同基频功率密度下的谐波转换效率，筛选出有效数据，并绘制有效谐波转换效率曲线。
如图2所示，在大型高功率激光装置中，沿着激光脉冲信号传输方向依次设置有放大系统1、传输链路2和谐波转换系统3，放大系统1分出部分参考光入射到第一能量卡计4和第一光电管5，第一光电管5将激光脉冲信号转换为电信号，第一光电管5连接第一示波器6后将激光脉冲时间波形显示出来，放大系统1的能量数据和时间波形数据传递到数据接收计算模块10。在同一实验发次下，谐波转换系统3分出部分参考光入射到第二能量卡计7和第二光电管8，第二光电管8将激光脉冲信号转换为电信号，第二光电管8连接第二示波器9将激光脉冲时间波形显示出来，谐波转换系统3的能量数据和时间波形数据传递到数据接收计算模块10。
数据接收计算模块10将接收到的能量数据和时间波形数据进行如下处理：
步骤S21、将谐波转换系统的时间波形和放大系统的时间波形插值成数据长度相同的两列数据，根据时间波形的特征将两列数据严格对齐，确保谐波转换效率计算准确，所述时间波形的特征为极值点或起始点。
步骤S22、将能量数据除以时间波形数据，分别得到谐波转换系统的功率数据和放大系统的功率数据。
步骤S23、按照时间进行切片，逐点的将谐波转换系统的功率数据除以放大系统的功率数据，得到不同基频功率密度下的谐波转换效率，将放大系统的功率数据除以光束面积得到基频功率密度。
步骤S24、考虑到波前畸变的影响，导致时间波形的前沿数据和后沿数据存在不准确性，剔除明显违反物理规律的前沿数据和后沿数据，筛选出有效数据，并绘制有效谐波转换效率曲线。
步骤S3、加载方波型时间波形对应的注入时间波形，在同一实验发次下采集谐波转换系统和放大系统的能量，计算方波型时间波形对应的基频功率密度点的谐波转换效率。
采用方波型时间波形不需要利用时间波形信息，可以直接进行能量对除，将谐波转换系统的能量除以放大系统的能量得到方波型时间波形对应的基频功率密度点的谐波转换效率。具体的，分别加载功率最低点方波型时间波形对应的注入时间波形、功率最高点方波型时间波形对应的注入时间波形，得到功率最低点的谐波转换效率、功率最高点的谐波转换效率。
步骤S4、将方波型时间波形对应的基频功率密度点(较低基频功率密度点、较高基频功率密度点)的谐波转换效率和有效谐波转换效率曲线合并起来，并对曲线中缺失数据的区域进行近似拟合，绘制出全激光功率段谐波转换效率曲线。优选的，所述缺失数据的区域位于方波型时间波形对应的基频功率密度点与有效谐波转换效率曲线的功率密度极值点之间。
在激光装置处于发射状态前，调谐谐波转换系统的晶体失谐状态使其与目标实验发射时保持一致，所述目标实验为激光装置处于发射状态下产生目标时间波形。
实施例二：
本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：
根据目标时间波形构建指数型时间波形如图3(a)所示，构建方波型时间波形，其中，功率最低点方波型时间波形如图3(c)所示。基于放大系统的增益特性，计算出指数型时间波形对应的注入时间波形如图3(b)所示，方波型时间波形对应的注入时间波形如图3(d)所示。其中，图3(a)至(d)中横坐标表示时间，单位为ns，纵坐标表示功率，单位为GW。
按照时间进行切片计算不同基频功率密度下的谐波转换效率，如图4所示，横坐标表示时间，单位为ns，左纵坐标表示功率密度，单位为GW/cm2，右纵坐标表示谐波转换效率。剔除明显违反物理规律的前沿数据和后沿数据，筛选出有效数据(即有效谐波转换效率)，并绘制有效谐波转换效率曲线，如图5所示，横坐标表示功率密度，单位为GW/cm2，纵坐标表示谐波转换效率，其中，All表示全部谐波转换效率，Mark表示有效谐波转换效率。在功率最低点和功率最高点下获得方波型时间波形的谐波转换效率，综合“两点一线(功率最低点的谐波转换效率、功率最高点的谐波转换效率和有效谐波转换效率曲线)”数据绘制出全激光功率段谐波转换曲线，如图6所示，横坐标表示功率密度，单位为GW/cm2，纵坐标表示谐波转换效率，其中，Exponential Wave表示指数型时间波形提取的有效谐波转换效率，HighPower Point表示功率最高点的谐波转换效率，Low Power Point表示功率最低点的谐波转换效率，Total表示全激光功率段谐波转换曲线。
以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (9)

1.一种全激光功率段谐波转换效率曲线获取方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、根据目标时间波形构建指数型时间波形、方波型时间波形；
步骤S2、加载指数型时间波形对应的注入时间波形，在同一实验发次下采集谐波转换系统和放大系统的能量、时间波形，计算不同基频功率密度下的谐波转换效率，并绘制有效谐波转换效率曲线；
步骤S3、加载方波型时间波形对应的注入时间波形，在同一实验发次下采集谐波转换系统和放大系统的能量，计算方波型时间波形对应的基频功率密度点的谐波转换效率；
步骤S4、综合有效谐波转换效率曲线、方波型时间波形对应的基频功率密度点的谐波转换效率，绘制出全激光功率段谐波转换效率曲线。
2.根据权利要求1所述的一种全激光功率段谐波转换效率曲线获取方法，其特征在于，所述指数型时间波形的功率范围覆盖目标时间波形的功率范围，所述方波型时间波形对应的功率为目标时间波形功率范围的极值点。
3.根据权利要求2所述的一种全激光功率段谐波转换效率曲线获取方法，其特征在于，所述目标时间波形功率范围的极值点包括功率最低点和功率最高点，方波型时间波形包括功率最低点方波型时间波形和功率最高点方波型时间波形。
4.根据权利要求2或3所述的一种全激光功率段谐波转换效率曲线获取方法，其特征在于，步骤S1中，基于放大系统的增益特性，计算出指数型时间波形、方波型时间波形分别对应的注入时间波形。
5.根据权利要求4所述的一种全激光功率段谐波转换效率曲线获取方法，其特征在于，步骤S2中，将谐波转换系统的时间波形和放大系统的时间波形对齐，按照时间逐点计算不同基频功率密度下的谐波转换效率，筛选出有效数据，并绘制有效谐波转换效率曲线。
6.根据权利要求5所述的一种全激光功率段谐波转换效率曲线获取方法，其特征在于，步骤S2中，绘制有效谐波转换效率曲线包括：
步骤S21、将谐波转换系统的时间波形和放大系统的时间波形插值成数据长度相同的两列数据，根据时间波形的特征将两列数据对齐；
步骤S22、将能量数据除以时间波形数据，分别得到谐波转换系统的功率数据和放大系统的功率数据；
步骤S23、按照时间逐点的将谐波转换系统的功率数据除以放大系统的功率数据，得到不同基频功率密度下的谐波转换效率；
步骤S24、考虑到波前畸变的影响，导致时间波形的前沿数据和后沿数据存在不准确性，剔除明显违反物理规律的前沿数据和后沿数据，筛选出有效数据，并绘制有效谐波转换效率曲线。
7.根据权利要求6所述的一种全激光功率段谐波转换效率曲线获取方法，其特征在于，步骤S3中，将谐波转换系统的能量除以放大系统的能量得到方波型时间波形对应的基频功率密度点的谐波转换效率。
8.根据权利要求7所述的一种全激光功率段谐波转换效率曲线获取方法，其特征在于，步骤S4中，将方波型时间波形对应的基频功率密度点的谐波转换效率和有效谐波转换效率曲线合并起来，并对曲线中缺失数据的区域进行近似拟合，绘制出全激光功率段谐波转换效率曲线。
9.根据权利要求8所述的一种全激光功率段谐波转换效率曲线获取方法，其特征在于，在激光装置处于发射状态前，调谐谐波转换系统的晶体失谐状态使其与目标实验发射时保持一致。
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