【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种激光直接驱动的惯性约束核聚变(icf)装置中的交叉光束能量转移和靶面辐照均匀性问题，具体涉及一种基于双锥对撞直接驱动激光装置的纳秒激光时空调控方法及装置。
技术介绍
1、激光的惯性约束聚变(icf)常用的两种驱动方式分别为直接驱动和间接驱动，间接驱动是指，激光并不直接辐照靶丸，而是通过辐照黑腔壁产生x射线，利用x射线对靶丸进行加热压缩。间接驱动的好处是驱动烧蚀的辐射源均匀性更好，但产生x射线的过程中，不可避免地会产生能量损耗，对激光能量的要求更高，而且黑腔内的激光等离子相互作用(lpi)过程相对复杂。直接驱动要求多束激光均匀辐照装有低温核燃料的靶丸，其将驱动激光耦合到氘氚(dt)燃料的能量大约是间接驱动的5～6倍，但是直接驱动对激光束的驱动均匀性要求更高。研究表明，直接驱动对靶丸表面辐照均匀性要求在1％以内。激光的直接驱动可有效地将激光能量转换为靶壳动能，对聚变燃料进行压缩聚集到高密度，达到热核燃烧的条件(ρr≥0.3g/cm2，其中ρ为燃料的质量密度，r为靶丸半径)。
2、在直接驱动点火设计中，激光束的光斑尺寸接近目标焦斑直径，由于多光束间的交叉光束能量转移(cbet)会导致能量损失。cbet是一种激光等离子体不稳定性，其本质上是由于多光束的波场重叠导致激光光束通过衍射在交叠区域的离子声波光栅上交换能量。它将直接影响icf中靶的均匀压缩，影响束靶耦合效率从而导致聚变产率降低。研究表明，减少激光束的光斑口径可补偿由于cbet损失的动能，但与此同时低阶模式扰动增加，辐照均匀性降低，影响内爆性能。而双态
3、传统的omega的直接驱动要求60束光均匀的辐照在～850um直径的整个球形面上，其功率平衡要求在任何100ps的脉冲间隔内，均需要小于1％的均方根功率失衡，因此omega对脉冲的时间同步性、每一束光的时间-功率曲线的控制精度以及多束激光之间的时间-功率曲线的一致性的控制要求极高。因此，为了降低cbet的影响，omega装置只能采用基于空分复用的两步变焦方案，即利用时变波前和变焦相位板(zpp)使光束在不同时刻叠加不同的相位结构，最终得到随时间变化的远场焦斑尺寸。这种基于空分复用的变焦技术可有效克服能量损失和cbet效应，但存在几个主要问题：(1)omega利用环形光束产生驱动主脉冲，这对入射光场分布控制要求较高；(2)入射光束的能量利用率较低，最高也仅能达到75％；(3)由于足脉冲在整个放大链中，是非饱和的线性放大，因此其稳定性比主脉中的稳定性控制难度增高，而足脉冲的功率起伏过大，会降低整个靶球的等熵压缩过程中的辐照均匀性，并影响冲击波的时序和强度的失配，从而降低了面密度。(d.h.froula,t.j.kessler,i.v.igumenshchev,r.betti,v.n.goncharov,h.huang,s.x.hu,e.hill,j.h.kelly,d.d.meyerhofer,a.shvydky,and j.d.zuegel,"mitigation of cross-beam energytransfer:implication of two-state focal zooming on omega,"physics of plasmas20(2013).)
4、双锥对撞点火方案(dci)的激光波形采用近等熵纳秒压缩波形，在两个对向放置的金锥内对聚变燃料进行等熵压缩。在金锥的箍缩作用下，聚变燃料达到极高的速度和密度，被约束着从锥口喷出，而后与对向锥内喷出的等离子体对撞，实现聚变燃料温度和密度的提升。由于双锥对撞装置的所有光束都被金锥约束着只能打在同一个锥面上，对光束与光束之间的功率平衡要求可以降低，只需关注两个锥面上所有光束叠加后的强度平衡。
技术实现思路
1、为克服上述现有技术的不足，本专利技术提出一种基于双锥对撞直接驱动的纳秒激光时空调控方法及装置，通过对双锥对撞直接驱动激光装置n束纳秒激光脉冲中对于单锥上的n/2束激光脉冲，用其中的m束产生低能足脉冲聚焦在初始半径为rt的靶面上，以提供较优良的照明均匀性，用剩余的(n/2-m)束产生高能驱动主脉冲聚焦在相对较小rb(rb＝0.7rt)的靶面上，以减轻交叉光束能量转移，提升束靶耦合效率。
2、为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
3、一种基于双锥对撞直接驱动激光装置的纳秒激光时空调控方法，其特点在于，在满足驱动内爆的近等熵压缩波形的情况下对所述双锥对撞直接驱动激光装置中所有纳秒激光脉冲的时间波形进行重新分布，包括：
4、利用一小部分光束产生低能足脉冲，聚焦在一个较大靶面上，使该靶面在低能足脉冲的作用下缓慢向内收缩，在低能足脉冲的持续时间末尾收缩至一个较小的靶面；
5、利用剩余大部分光束产生驱动主脉冲，聚焦在这个较小的靶面上，从而实现变焦。
6、所述的驱动内爆的近等熵压缩波形的持续时间为0～τ，低能足脉冲的持续时间为0～td，驱动主脉冲的持续时间为td～τ，td对应的是靶丸从初始半径rt收敛至0.7rt时对应的时刻。对于单锥上的n/2束纳秒激光脉冲来说，通过利用其中的m束光产生低能足脉冲，将其聚焦在初始半径rt的靶面上，低能足脉冲的能量转换为靶壳动能，初始半径rt的靶面缓慢向内收缩，当在td时刻收敛至一个较小的靶面rb(rb＝0.7rt)时，剩余的(n/2-m)束光产生的高能驱动主脉冲开始作用，聚焦在半径为rb的靶面上，以此实现变焦。
7、其中，低能足脉冲指的是靶丸从初始半径rt减小到0.7rt对应的时间-功率曲线，高能驱动主脉冲则是指靶丸从0.7rt继续减小对应的时间-功率曲线。(研究表明，最佳变焦位置满足rb/rt＝0.7，可进一步提高内爆速度。)
8、对产生低能足脉冲的m束纳秒激光脉冲的要求有以下几点：
9、(1)保证每束纳秒激光脉冲处于安全的能量密度4j/cm2内，从而保证装置的可靠运行；
10、(2)保证产生低能足脉冲的m束纳秒激光脉冲和产生高能驱动主脉冲的(n/2-m)束纳秒激光脉冲的负载相当；
11、(3)使这m束产生低能足脉冲的纳秒激光脉冲尽可能排布在与极轴夹角最小的环上，以尽可能提升驱动激光早期在靶面上的辐照均匀性。
12、实施上述基于双锥对撞直接驱动激光装置的纳秒激光时空调控方法的装置，其特点在于，包括沿前端种子源传输方向依次设置的光谱色散光栅、传输放大组件、倍频晶体、连续相位板、偏振控制板、聚焦透镜以及靶面；所述的前端种子源输出的种子光经所述光谱色散光栅后进入传输放大组件进行光束口径及能量的放大后，经过倍频晶体将基频光转换为三倍频光后，通过所述连续相位板将远场焦斑整形为具有一定形状、大小的焦斑，经偏振控制板后由聚焦透镜聚焦在远场的靶面上形成整形焦斑。
13、每束纳秒激光脉冲经过光谱色散光栅、连续相位板、偏振控制板和聚焦透镜后，每束纳秒激光脉冲在靶面上的远场光场分布可表示为：本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于双锥对撞直接驱动激光装置的纳秒激光时空调控方法，其特征在于，在满足驱动内爆的近等熵压缩波形的情况下对所述双锥对撞直接驱动激光装置中所有纳秒激光脉冲的时间波形进行重新分布，包括：
2.根据权利要求1所述的基于双锥对撞直接驱动激光装置的纳秒激光时空调控方法，其特征在于，所述的驱动内爆的近等熵压缩波形的持续时间为0～τ，低能足脉冲的持续时间为0～td，驱动主脉冲的持续时间为td～τ，td对应的是靶丸从初始半径Rt收敛至0.7Rt时对应的时刻。
3.根据权利要求1所述的基于双锥对撞直接驱动激光装置的纳秒激光时空调控方法，其特征在于，所述双锥对撞直接驱动激光装置中所有纳秒激光脉冲数为n束，则在确保上下两个锥面上n/2束纳秒激光脉冲的功率总和的强度平衡情况下，通过对每束激光的时间波形进行重新设计，使n/2束纳秒激光脉冲之和满足驱动内爆的近等熵压缩波形。
4.根据权利要求3所述的基于双锥对撞直接驱动激光装置的纳秒激光时空调控方法，其特征在于，对于单锥上的n/2束纳秒激光脉冲，通过利用其中m束，即一小部分光束产生低能足脉冲，并聚焦在一个较大的靶面，
5.根据权利要求4所述的基于双锥对撞直接驱动激光装置的纳秒激光时空调控方法，其特征在于，产生低能足脉冲的m束纳秒激光脉冲应满足以下条件：
6.实施权利要求1-5任一所述基于双锥对撞直接驱动激光装置的纳秒激光时空调控方法的装置，其特征在于，包括沿前端种子源(1)传输方向依次设置的光谱色散光栅(2)、传输放大组件(3)、倍频晶体(4)、连续相位板(5)、偏振控制板(6)、聚焦透镜(7)以及靶面(8)；所述的前端种子源(1)输出的种子光经所述光谱色散光栅(2)后进入传输放大组件(3)进行光束口径及能量的放大后，经过倍频晶体(4)将基频光转换为三倍频光后，通过所述连续相位板(5)将远场焦斑整形为具有一定形状、大小的焦斑，经偏振控制板(6)后由聚焦透镜(7)聚焦在远场的靶面(8)上形成整形焦斑。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，n束纳秒激光脉冲由不同的前端种子源(1)产生，从而使每束光的时域、频域特性均可独立控制。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述前端种子源(1)包括同光轴依次放置的种子光源激光器(11)、时间脉冲整形单元(12)和相位调制单元(13)；
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述的光谱色散光栅(2)和前端种子源(1)中的相位调制单元(13)结合使用，可获得随时间变化的散斑结构，从而在特定时间内匀滑焦斑。
10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，每束纳秒激光脉冲在传输过程中所使用的连续相位板(5)的目标焦斑大小不同，对于低能足脉冲，其目标焦斑大小略小于初始半径为Rt的靶面，以提供较优良的照明均匀性；对于高能驱动主脉冲，其目标焦斑大小略小于半径为Rb的靶面，以减轻交叉光束的能量转移，提升束靶耦合效率。
11.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述的偏振控制板(6)的偏振状态对于不同的纳秒激光脉冲而言可以是沿光束所在环上位置的切线或法线方向的线偏振光，也可以是左旋或右旋圆偏振光，亦或是椭圆偏振光，降低各子束之间的相关性。
12.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述m束低能足脉冲和(n-m)束高能驱动主脉冲的靶面(8)位置不同，(n-m)束高能驱动主脉冲的靶面(8)位置略靠后。
...【技术特征摘要】
1.一种基于双锥对撞直接驱动激光装置的纳秒激光时空调控方法，其特征在于，在满足驱动内爆的近等熵压缩波形的情况下对所述双锥对撞直接驱动激光装置中所有纳秒激光脉冲的时间波形进行重新分布，包括：
2.根据权利要求1所述的基于双锥对撞直接驱动激光装置的纳秒激光时空调控方法，其特征在于，所述的驱动内爆的近等熵压缩波形的持续时间为0～τ，低能足脉冲的持续时间为0～td，驱动主脉冲的持续时间为td～τ，td对应的是靶丸从初始半径rt收敛至0.7rt时对应的时刻。
3.根据权利要求1所述的基于双锥对撞直接驱动激光装置的纳秒激光时空调控方法，其特征在于，所述双锥对撞直接驱动激光装置中所有纳秒激光脉冲数为n束，则在确保上下两个锥面上n/2束纳秒激光脉冲的功率总和的强度平衡情况下，通过对每束激光的时间波形进行重新设计，使n/2束纳秒激光脉冲之和满足驱动内爆的近等熵压缩波形。
4.根据权利要求3所述的基于双锥对撞直接驱动激光装置的纳秒激光时空调控方法，其特征在于，对于单锥上的n/2束纳秒激光脉冲，通过利用其中m束，即一小部分光束产生低能足脉冲，并聚焦在一个较大的靶面，即初始半径为rt的靶面上，低能足脉冲的能量转换为靶壳动能，初始半径rt的靶面缓慢向内收缩，当在td时刻靶面收敛至靶面半径为rb的一个较小靶面时，rb/rt＝0.7，剩余(n/2-m)束，即剩余大部分光束产生的高能驱动主脉冲，聚焦在半径为rb的靶面上，以此实现变焦。
5.根据权利要求4所述的基于双锥对撞直接驱动激光装置的纳秒激光时空调控方法，其特征在于，产生低能足脉冲的m束纳秒激光脉冲应满足以下条件：
6.实施权利要求1-5任一所述基于双锥对撞直接驱动激光装置的纳秒激光时空调控方法的装置，其特征在于，包括沿前端种子源(1)传输方向依次设置的光谱色散光栅(2)、传输放大组件(3)、倍...
【专利技术属性】
技术研发人员：范薇，张雨佳，孙明营，卢兴华，王江峰，汪小超，张艳丽，姜秀青，乔战峰，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：
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