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】
[0001] 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】
[0002] 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 已有的空域光束勾滑技术中，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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 所述光谱角色散（Smoothing by Spectral Dispersion，SSD)勾滑技术是通过对 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(ID-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】
[0007] 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（Radial Smoothing，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。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 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：
[0013] (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Tw和光强I p参数值；
[0014] (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1^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，即栗浦光；
[0015] (3)将步骤⑵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；
[0016] (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栗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；
[0017] (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。
[0018] 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。
[0019] 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。
[0020] 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栗浦光作用 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：
[0021] η = n〇+n2Ip ⑴
[0022] 式中η。为光克尔介质的本征折射率，η 2为光克尔系数，I p为栗浦光峰值强度。 此公式来源见参考文献（Sala K, Richards