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方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

Laser spot shaping and dynamic control system based on plasma control

The invention discloses a laser spot shaping and dynamic control system and method based on plasma control, which belongs to the technical field of laser beam control. In order to meet the dynamic requirement that the shape and size of the focal spot change rapidly, a plasma device is introduced into the near-field or quasi-near-field area of the beam focusing system. By adjusting the density and thickness of the plasma, the shaping function of the continuous phase plate can be realized. By utilizing the dynamic properties of the plasma, the dynamic effects of its diffusion and recombination can be formed. The function of the state wavefront realizes the dynamic shaping of the focal spot of the beam. The invention can realize the continuous change of focal spot shape, the whole process and the near field have the characteristics of full use of energy and random phase, so that the beam performance is not affected in the whole dynamic process; because the plasma medium has a very high damage threshold relative to the traditional solid medium, it can be applied in any position of the high power/high energy laser device, which enhances the flexibility of the method application. Sex.

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术属于激光光束控制
，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。
技术介绍
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(IVIgumenshchev,DHFroula,DHEdgelletal,Laser-beamzoomingtomitigatecrossed-beamenergylossesindirect-driveimplosion.PhysicsReviewLetters.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(HFroula,IVIgumenshchev,DTMicheletal,Mitigationofcross-beamenergytransfer:Implicationoftwo-statefocalzoomingonOMEGA,PhysicsofPlasmas,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(ZhongZQ,HuXC,ZhangB,FastfocalzoomingschemefordirectdrivefusionimplementedbyinsertingKD2PO4crystal[J],OpticsCommunications,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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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，本专利技术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,本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李平，魏晓峰，张小民，王伟，靳赛，周丽丹，冯斌，朱德燕，柴向旭，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院激光聚变研究中心，
类型：发明
国别省市：四川,51