（光学专业论文）位相畸变对强激光srrs效应及聚焦特性的影响.pdf

位相畸变对强激光s r r s 效应及聚焦特性的影响 光学专业 研究生：陈剑华指导教师：张彬教授 在惯性约束聚变( i c f ) 研究中，由i c f 驱动器主放大系统输出的基频光通 常需要在空气中传输一段距离后才能到达频率转换器，而经过频率转换器输出 的强紫外激光也要在空气中长程传输后才能实现最终的聚焦打靶。然而，强激 光在空气中长程传输时会产生受激旋转拉曼散射( s r r s ) 效应，s r r s 效应不 仅会造成泵浦光的衰减，还会使强激光的光束质量变差。基频光光束质量变差 不仅会导致谐波转换效率降低，而且，还会影响频率转换器输出强紫外激光的 光束质量，而强紫外激光在空气中长程传输过程中产生的s r r s 效应将进一步 导致其光束质量变差，从而对聚焦打靶产生明显影响。因此，对基频光和强紫 外激光在空气中长程传输时的s r r s 效应研究具有重要的理论参考价值和实用 价值。 本论文围绕i c f 驱动器中基频光和强紫外激光在空气中长程传输过程中产 生的s r r s 效应，详细讨论了s r r s 效应的阈值条件、斯托克斯光的转换效率， 以及强激光的光束质量和位相的变化，并分析了强紫外激光的远场聚焦特性。 论文的主要内容包括： 一建立了不同波长强激光在空气长程传输过程中产生s r r s 效应的物理模型 针对i c f 驱动器中存在的两种不同波长激光( 基频光和紫外光) 在空气中 的长程传输，建立了较为全面的s r r s 效应物理模型。该模型中详细考虑了斯 托克斯光和泵浦光的衍射、l a n g e v i n ( 郎兹万) 噪声源、介质的非线性极化、 泵浦光的衰减、斯托克斯光的非线性放大、稳态拉曼增益系数等诸多因素。采 用均方根梯度表征的随机位相屏来描述低频位相扰动，用随机位相扰动描述中、 高频位相噪声，建立了波前位相畸变模型。 二强激光在空气中长程传输过程中产生的s r r s 效应研究 对基频光和紫外光在空气中长程传输时产生的s r r s 效应进行了数值模拟 分析，详细讨论了强激光的峰值光强和脉冲宽度对s r r s 阈值以及转换效率的 影响，并分析了波前位相畸变对基频光和紫外光的空问光强分布的影响。 三波前位相畸变对强激光在空气中长程传输后位相的影晌研究 对不同波长的强激光在空气中长程传输后的位相特性进行了研究，详细讨 论了引入不同的波前位相畸变后，基频光和紫外光在空气中长程传输后位相畸 变的变化，并定量分析了基频光和紫外光的位相畸变随传输距离的变化规律。 四波前位相畸变对强紫外聚焦特性的影响研究 对频率转换器输出的强紫外激光经过空气长程传输后的远场聚焦特性进行 研究，详细讨论了引入不同的波前位相畸变后，强紫外激光在空气中长程传输 后的焦斑形态，并计算分析了焦斑半径随空间位相畸变和传输距离的变化。 关键词：受激旋转拉曼散射( s r r s ) 、位相畸变、均方根( r m s ) 梯度、阈值、 焦斑 i i 本论文工作得到国家高技术8 6 3 项目( 2 0 0 2 a a 8 4 5 0 3 2 ) 资助。 i n f l u e n c eo fp h a s e p e r t u r b a t i o no ns t i m u l a t e d r o t a t i o nr a m a n s c a t t e r i n ga n df o c a l c h a r a c t e r i z a t i o no fh i g h - p o w e rl a s e rb e a m s m a j o r o p t i c s p o s t g r a d u a t e ：j i a n - h u ac h e n i nt h er e s e a r c ho fi n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o n ( i c f ) ，t h eh i g h - p o w e r f u n d a m e n t a lf i e l d sf r o mt h em a i n 锄p 龃钮h a v eal o n ga i r p a t ht or e a c ht h e f r e q u e n c yc o n v e r s i o ns y s t e m ，a n dt h eh i g h p o w e ru l t r a v i o l e tl a s e rb e a m sf r o mt h e f r e q u e n c yc o n v e r s i o ns y s t e ma l s oh a v eal o n ga i rp a t ht or e a c ht h et a r g e t h o w e v e r , t h ee f f e c to fs t i m u l a t e dr o t a t i o n a lr a j a hs c a t t e r i n g ( s p d l s ) o nh i # - p o w e rl a s e r b e a m si nt h ep r o c e s so fl o n ga i rp a t hp r o p a g a t i o nn o to n l yl e a d sl a s e re n e r g yl o s s ， b u ta l s ot h eb e a mq u a l i t yd e g r a d i n g t h ed e g r a d e db e a mq u a l i t yo ff u n d a m e n t a lf i e l d w i l li n f l u e n c en o to n l yt h ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo ft h i r dh a r m o n i cg e n e r a t i o n 。b u t a l s ot h eb e a mq u a l i t yo fu l t r a v i o l e tl a s e rb e a m sf r o mt h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o n s y s t e m ，a n dt h es r r se f f e c to fh i g h - p o w e ru l t r a v i o l e tl a s e rb e a m si nl o n ga i rp a t h s w i l li n f l u e n c et h eo p t i m u mf u e lc o m p r e s s i o ni nt h et a r g e t t h e r e f o r e ，t h es t u d yo n t h es r r se f f e c to fh i i 曲- p o w e rf u n d a m e n t a lf i e l da n dt r i p l i n gf i e l di nl o n ga i rp a t h s w o u l db eo f g r e a ti m p o r t a n c ei np r a c t i c e t h i st h e s i sf o c u s e so nt h es r r se f f e c to fh i g h - p o w e rf u n d a m e n t a lf i e l da n d t r i p l i n gf i e l dt h r o u g hl o n ga i rp a t h s 田1 et h r e s h o mo fs r r se f f e c t , t h ec o n v e r s i o n e f f i c i e n c yo fs t o k e sf i e l da n dt h eb e a mq u a l i t ya n dp h a s ep r o p e r t i e so fl a s e rb e a m s w e r ed i s c u s s e di nd e t a i l e d f u r t h e r m o r e ，t h ef o c a lc h a r a c t e r i z a t i o no fh i g h - p o w e r u l t r a v i o l e tl a s e rb e a m sw a ss t u d i c d 硼km a i nc o n t e n t sc a nb es 1 2 n l n a r i z e da s m f o l l o w s ： ( 1 ) t h ep h y s i c a lm o d e lo fs r r se f f e c to fh i g h - p o w e rl a s e ro fd i f f e r e n t w a v e l e n g t h st h r o u g hl o n ga i rp a t h sh a sb e e nb u i l tu p b a s e do nh i g h p o w e rl a s e rt h o r o u g hl o n ga i rp a t h s ，t h ep h y s i c a lm o d e lo fs r r s e f f e c t sw a sb u i l tu p ，w h i c hc o n s i d e r e dt h ed i f f r a c t i o ne f f e c t so fs t o k e sa n dp u m p l a s e r s ，l a n g e v i nn o i s es o u r c e s ，t h en o n l i n e a rp o l a r i z a t i o no ft h em e d i u m ，t h e d e p l e t i o no fp u m p e dl a s e r , t h en o n l i n e a ra m p l i f i c a t i o no ft h es t o k e sf i e l da n dt h e r a m a ng a i nc o e f f i c i e n t e c t t h em o d e lo ft h ep h a s ep e r t u r b a t i o nw a sa l s og i v e n , w h e r et h er o o t m e a n - s q u a r e d ( r m s ) g r a d i e n ta n dr a n d o mp h a s ep e r t t t r b a t i o nw e r e i n t r o d u c e dt od e s c r i b et h el o wa n dt h eh i g h 丘e q u e n c y p h a s en o i s e ( 2 ) s r r se f f e c t so fh i g hp o w e rl a s e rb e a m st h r o u l g hl o n ga i rp a t h sd e p e n do n s e v e r a lf a c t o r sh a sb e e ns t u d i e d t h es r r se f f e c to fh i g h - p o w e rf u n d a m e n t a lf i e l da n dt r i p l i n gf i e l dt h r o u g h l o n ga i rp a t h sh a sb e e ns i m u l a t e da n da n a l y z e d t h ee f f e c t so ft h ep e a ki n t e n s i t ya n d t h ep u l s ew i d t ho ft h ep u m pl a s e rb e a m so nt h et h r e s h o l do fs r r se f f e c ta n dt h e c o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo fs t o k e sf i e l dh a v eb e e nd i s c u s s e di nd e t a i l t h ei n f l u e n c eo f i n i t i a lp h a s ep e r t u r b a t i o n so nt h ei n t e n s i t yd i s t r i b u t i o no ft h ep u m pa n ds t o k e sl i g h t h a sa l s ob e e na n a l y z e d ( 3 ) i n f l u e n c eo fp h a s ep e r t u r b a t i o n so nt h ep h a s eo fh i g h - p o w e rl a s e rb e a m s h a sb e e ns t u d i e d t h ep h a s ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g h - p o w e rl a s e r sw i t l ld i f f e r e n tw a v e l e n g t h s t h r o u g hl o n ga i rp a t h sh a v eb e e ns t u d i e d t h ep h a s eo ft h eh i g h - p o w e rf u n d a m e n t a l a n dt r i p l i n gf i e l d sw i md i f f e r e n ti n i t i a lp h a s ep e r t u r b a t i o n sa f t e rl o n ga i rp a t h sh a s b e e nd i s c u s s e di nd e t a i l s u b s e q u e n t l y , t h ev a r i a t i o n so ft h ep h a s ep e r t u r b a t i o n so f t h eh i g h - p o w e rl a s e rb e a m sw i t ht h ep r o p a g a t i o nd i s t a n c e sh a v eb e e na n a l y z e d q u a n t i t a t i v e l y ( 4 ) i n f l u e n c eo fp h a s ep e r t u r b a t i o n so nf o c a lc h a r a c t e r i z a t i o no fh i g h p o w e r u l t r a v i o l e tl a s e rb e a m s t h ef o c a lc h a r a c t e r i z a t i o no fh i g h - p o w e ru l t r a v i o l e tl a s e rb e a m sf r o mt h e f r e q u e n c yc o n v e r s i o ns y s t e ma f t e rl o n ga i rp a t hp r o p a g a t i o nh a sb e e ns t u d i e d t h e s h a p e o ff o c a l s p o t o f h i g h p o w e r u l t r a v i o l e tl a s e rb e a m sw i t hd i f f e r e n t l o w f r e q u e n c yp h a s ep e r t u r b a t i o n st h r o u g hl o n ga i rp a t h sh a sb e e nd i s c u s s e di n d e t a i l f u r t h e r m o r e ，t h ev a r i a a o no ft h es i z eo ff o c a ls p o tw i t ht h es p a t i a lp h a s e p e r t u r b a t i o n sa n dt h ep r o p a g a t i o nd i s t a n c e sh a sb e e na n “a l y z e dq u a n t i t a t i v e l y k e yw o r d s ：s t i m u l a t e dr o t a t i o n a lr a n l a ns c a t t e r i n g ( s r r s ) ，p h a s ep e r t u r b a t i o n , r o o t - m e a n - s q u a r e d ( r m s ) g r a d i e n t ，t h r e s h o l d ，f o c a ls p o t t h i sw o r kw a ss u p p o r t e db yn a t i o n a lh i t e c h8 6 3 e r o j e c t ( n o 2 0 0 2 a a 8 4 5 0 3 2 ) v 第一章引言 1 1 惯性约束聚变( i c f ) 概述 作为一个发展中的大国，能源问题是我国实现经济增长和社会长远发展战 略目标的重要而又极为艰巨的问题。能源的紧缺问题是制约我国经济发展的重 要因素。据统计，我国每年人均能耗约为世界平均水平的三分之一，只及日本 的八分之一，美国的二十分之一。为满足国民经济持续、快速地发展和人民生 活水平不断提高的需要，加快能源的开采、利用是当务之急。到本世纪中叶以 前，地球上的石油、煤、天燃气等资源将会枯竭。因此，必须不断地扩大能源 的利用范围。 从世界科技发展情况看，裂变核电站技术已经成熟并已商业化。我国的核 工业也有比较好的基础，相比之下，核能是有前途的、完全可以大规模替代煤 炭等资源的清洁能源。然而，由于我国铀资源有限，大规模发展裂变核电站将 受到限制。因此，通过受控核聚变产生聚变能作为核能的另一种能源新形式受 到广泛关注。聚变燃料在地球上的蕴藏极为丰富，核聚变能是取之不尽、用之 不竭的能源【l ”。要想实现受控核聚变，达到点火条件，除了提高点火温度外， 必须设法满足两个条件：第一，必须将聚变燃料加热到高温，使之变成等离子 体；第二，必须对等离子体进行约束。 磁约束聚变( m c f ) 与惯性约束聚变( i c f ) 是目前实现受控核聚变的两 种主要方式。2 0 世纪6 0 年代以前，受控核聚变的研究均集中在磁约束方式上。 所谓磁约束聚型1 2 j ，是指利用磁场将带电粒子约束住，使之发生聚变反应。世 界上有许多国家都开展了这项研究，建成了很多大型的磁约束装置。但是，由 于磁约束本身存在一些固有的难题，以致磁约束聚变的研究进展缓慢。 在激光技术诞生后，惯性约束核聚变应运而生。惯性约束聚变概念是基于 以下的考虑提出的：在极短的时间内，如果将大量的能量注入到一定量的聚变 燃料中，使聚变燃料的密度和温度增大，则可以使得核燃料在惯性作用下，还 来不及向四周飞散开就完成核聚变反应。此时，核燃料的惯性作用就起到了对 核燃料等离子体自身的约束作用。这种依靠等离子体自身的惯性来实现的约束， 叫做惯性约束，而在这种情况下发生的核聚变就叫做惯性约束聚变。 1 位相畸变对强激光s r r s 效应及聚焦特性的影响四川大学硕士学位论文 对自身而言，惯性约束聚变也存在一定的困难。从目前来看，主要困难集 中在以下几个方面：1 ) 据估算，一个堆用的驱动器价格要高达l 亿美元，这样 的费用是很昂贵的。此外，现有的驱动器( 特别是激光器) 的效率均不够高， 长波长激光在物质中的吸收也不太好。因此，研究与开发廉价、高效的驱动器 是一项重要而又艰巨的工作：2 ) 反应堆使用的靶丸必须具有很高的能量增益， 而高增益靶丸的生产技术十分复杂；3 ) 必须能够做到束流打靶的高度时空对称 性，因此，急需发展靶丸的注入、跟踪和瞄准问题等高新技术；4 ) 必须设计出 能够承受靶丸爆炸而引起的反复照射和冲击的合适的聚变反应室【1 i 】。 惯性约束聚变主要分为四个阶段，如图1 1 1 所示【1 ，一4 】： 1 ) 激光辐射：强激光束快速加热氘氚靶丸表面，形成一个等离子体烧蚀层。 2 ) 内爆压缩：靶丸表面热物质向外喷发，反向压缩燃料。 3 ) 聚变点火：通过向心聚爆过程，氘氚核燃料达到高温、高密度状态。 4 ) 聚变燃烧：热核燃烧在被压缩燃料内部曼延，产生数倍的能量增益，大量的 聚变能输出。 激光辐射内爆压缩聚变点火聚变燃烧 图1 1 1惯性约束聚变的四个阶段 就目前来看，高功率固体激光技术的发展进入了高潮期，激光聚变驱动技 术的研究引起了各国的重视和极大的投入，一些国家已先后建成了i c f 驱动器， 并制定出新的发展计划。目前，正在运行的最大激光器是的美国罗彻斯特大学 的o m e g a 激光装置和日本的g e k k o x i i 激光装置。美国能源部在1 9 9 8 年1 0 月 2 1 日批准了“国家点火设施”( n i f ) 计划，希望在2 0 1 0 年左右实现热核点火。 在国家点火装置进行工程化建造前，美国利弗莫尔实验室( l l n l ) 已按n 球 2 第一章引言 设计参数完成了全尺寸的单路原型样机( b e a m l e t ) 的建造并完成了大部分关键 单元技术的实验研裂1 。”，从而为n i f 的建造打下良好的基础。美国n i f 计划的 实施及b e a m l e t 的建成和取得的成功更加明确地为i c f 的研究指明了方向。 1 9 9 3 年，法国着手l m j 计划。英国在美国l l n l 的技术支持下，也开展了建 造高功率激光系统的研究工作。2 0 0 2 年1 2 月，美国l l n l 的国家点火设施成 功激活了1 9 2 条激光束中的4 条，这项里程碑式的成果比预定计划提前了一年 半【1 - 扣“s l 。 1 9 8 3 年，我国建成了“星光i ”激光装置 1 9 1 ，在1 9 9 4 年将其升级为“星 光一i i ”激光装置。1 9 8 5 年，我国建成“神光i ”激光装置，并在2 0 0 0 年升级为 “神光一i i ”激光装置。我国在1 9 9 3 年成立了国家高技术惯性约束聚变委员会， 制定了“神光- i i i ”激光装置的发展计划，预计将在本世纪前十年建成“神光1 i l y 激光装置。表1 1 1 列出了世界各国己建成的i c f 驱动器。图1 1 2 给出了大型 激光装置照片。 表1 1 1 各国已建成的i c f 驱动器 国家实验室装置能量( 脉宽( m )柬数时间 美国利弗莫尔实验室 n o v a4 5 3 o 1 31 01 9 8 4 美国利弗英尔实验室b e a m l e t6 4 3 c o3l1 9 9 4 美国罗彻斯特大学 o m e g a 4 0 3 0 1 16 01 9 9 5 日本大阪大学 g e k k o x i i1 5 3 o 1 1 1 2 1 9 8 3 法国里梅尔 p h e b u s8 3 o 1 321 9 8 6 中国高功率激光物理国家实验室 神光一i1 6 l t o0 1 121 9 8 5 中国高功率激光物理国家实验室 神光- - 1 16 l t oo 1 一l82 0 0 0 中国中国工程物理研究院 星光- - 1 10 1 5 ，3 0 i 1i1 9 9 4 英国卢瑟夫实验室 v h l a n2 3 0 1 18 3 位相畸变对强激光s r r s 效应及聚焦特性的影响 四川大学硕士学位论文 4 ( a ) n o v a 激光大厅 ( c ) o m e g a 激光装置 ( b ) n o v a 靶场 ( d ) o m e g a 靶场 ( e ) g e k k ox t l 激光装置激光大厅 ( og e k k o 靶场 第一章引言 p h e b u s 激光装置激光大厅( h ) p h e b u s 靶场 图1 1 2 各国已建成的典型大型激光装置 惯性约束聚变的靶丸聚爆目前有两种驱动方式：直接驱动和间接驱动o i i 。 直接驱动方式是最先采用的。顾名思义，这种驱动方式就是将驱动光束均匀地 直接地照射到靶丸上，驱动靶丸聚爆，如图1 1 3 所示。 图1 1 3 直接驱动示意图 2 0 世纪7 0 年代，出现了与直接驱动所不同的间接驱动或辐射驱动的概念， 如图1 1 4 所示。间接驱动靶是在高原子序数材料做成的外壳内放置一个充有氘 氚燃料的靶丸，在外壳上开有若干个注入孔和诊断孔，这样就形成了一个产生 并能约束和储存x 光( x 射线) 的黑体腔。 5 位相畸变对强激光s r r s 效应及聚焦特性的影响 四川大学硕士学位论文 图1 1 4 间接驱动示意图 当激光经过入射孔进入间接驱动靶以后，首先与其第一打击面的物质发生 作用，产生电子、离子、x 光和散射光。这些产物被约柬在腔内，并再一次与 腔内壁物质作用，产生新的产物。新产生的散射光一部分继续与腔壁作用，另 一部分通过入射孔和诊断孔逃逸。新产生的等离子体一部分发生聚芯运动，另 一部分从孔中逃逸。散射光和腔内x 光与腔壁作用最终导致腔壁物质的大量喷 射，其反冲的作用在腔内形成一个由内向外的冲击波。当冲击波到达腔外壁 时靶球便开始解体。 1 ，2i c f 固体激光驱动器简介 高功率固体激光驱动器主要由前端一预放大级、主放大级、频率转换器、 靶场等系统组成【1 拼，如图1 2 1 所示。 图1 2 1i c f 固体激光器的基本组成结构 前端预放级由主振荡级、前端放大器以及脉冲整形器组成。它主要用于产 生一个高稳定、有一定光谱宽度的纳秒至亚纳秒的脉冲，同时，前端预放级具 6 第一章引言 有对脉冲进行时间上和空间上的整形能力，能够将脉冲进行一定的放大。主放 大级主要由空间滤波器、隔离器、多级棒状放大器和多级片状放大器组成。其 主要功能是将前端预放级注入的脉冲放大到所设计的能量和功率指标。频率转 换器的功能是将主放大系统输出的基频光( 简称l 吐，光，1 0 5 3 p m ) 转换为打靶 所需的三倍频光( 3 t o 光，0 3 5 1 n ) 。靶场主要包括终端聚焦光学系统、真空靶 球、靶三维瞄准定位系统、靶场框架及支撑系统等。其主要功能是将空气中长 程传输后的三倍频光聚焦并准确注入真空靶球内的黑洞靶腔中，并能对靶丸进 行三维调整。 以美国罗彻斯特大学的o m e g a 激光装置为例，其长程传输部分主要是指主 放大器输出的基频光经空气传输到频率转换器以及频率转换系统输出的三倍频 光经空气长程传输到位相板这两部分，如图1 2 2 所示。 囤1 2 2o m e g a 激光装置的空气传输部分 图1 2 3 给出了o m e g a 激光器采用6 0 束均匀激光束点火示意图。在o m e g a 激光系统中，由主放大器输出的基频光经空气长程传输到达频率转换器，而后 产生的三倍频光经空气长程传输后，有6 0 束强紫外激光束经环状光路注入到终 端光学系统中【1 1 1 i l 】。在打靶时要求达到能量平衡和时间同步，即保证激光脉 冲在时间上绝对同步传输，只有这样激光光束才能同时均匀辐照靶丸，否则就 可能影响i c f 打靶的质量。 7 图1 2 3o m e g a 激光系统中的传输装置 1 3 国内外i c f 驱动器中s r r s 效应研究现状 为实现i c f 的顺利点火，美国罗彻斯特大学采用6 0 束强紫外激光束同时辐 照聚变靶丸【lm 1 1 1 】，为了实现顺利打靶，必须保证6 0 束激光能量平衡和时间同 步。由于6 0 束光束经过频率转换晶体后输出的强紫外激光要长程传输一段距离 才能到达靶场，而强激光在空气中长程传输会产生受激旋转拉曼散射效应，它 会对激光光束质量产生明显影响，因此，罗彻斯特大学很早就开始研究强激光 在空气中长程传输的s r r s 效应。 8 i g n p l i a e r 图1 3 1 罗切斯特大学的强激光在空气长程传输实验装置 第一章引言 图1 3 1 给出了罗彻斯特大学的强激光在空气中长程传输的实验装置。实验 装置只研究了单路强激光束在空气中长程传输的s r r s 效应产生的影响，输入 能量为7 5 0 j ，在空气中长程传输的距离为4 5 米。针对该实验装置，美国罗切 斯特大学yl i n 和t k r a m a n 建立了描述瞬态s r r s 效应的四维物理模型，并对 产生s r r s 的阈值条件进行了详细研究，计算得到s r r s 效应的闽值条件为g l l = 2 5 。并且，针对强激光在长程传输过程中的衍射效应和s r r s 效应可能造成 对光束质量的影响进行了详细研究，研究表明，s r r s 效应的存在会造成强激 光光束质量的明显变差，从而影响i c f 点火的顺利实施。 1 4i c f 系统中s r r s 效应研究的主要问题、目的及意义 在i c f 系统中，强激光在空气中长程传输主要有两部分：1 ) 由主放大器输 出的基频激光会在空气中长程传输后到达频率转换器；2 ) 经过倍频后的强紫外 激光会在空气中长程传输后再实现聚焦打靶。然而，强激光在空气长程传输过 程中与空气中的氮气分子相互作用后将会产生受激旋转拉曼散射( s r r s ) 效 应矧。作为传输过程中最具破坏性的非线性效应之一，s r r s 效应不仅会 造成强激光能量的损失，而且，还会使激光束的光束质量交差。关于i c f 系统 中强激光在空气中长程传输的s r r s 效应的研究主要集中在： 1 ) 基频光光束质量 在i c f 系统中，基频光由主放大器输出后会在空气中长程传输一段距离后 才能到达频率转换器，而主放大器输出的强激光不可能是完全理想的激光束。 由于放大器增益介质的增益饱和效应、增益不均匀性、光学材料不均匀性、光 泵产生的动态热畸变、光学元 牛加工造成的面型畸变及非线性光学效应等因素 的影响，基频光束必定会存在一定的位相畸变，从而使主放大器输出基频光的 光束质量变差，同时，基频光在空气中的长程传输时产生的s r r s 效应也会进 一步导致基频光的光束质量变差，从而使谐波转换效率明显降低，进而还会对 频率转换器输出强紫外激光的光束质量产生影响。因此，对基频光在空气中长 程传输过程中产生的s r r s 效应进行研究具有重要意义。 2 ) 强紫外激光光束质量 在i c f 系统中，频率转换器输出的强紫外激光需要在空气中长距离传输后， 9 位相畸变对强激光s r r s 效应及聚焦特性的影响 四川大学硕士学位论文 才能到达靶场实现聚焦打靶。强紫外激光在空气中长程传输会受到s r r s 效应 的影响，而聚焦打靶能否成功实现与强紫外激光的光束质量密切相关。因此， 有必要对强紫外激光在空气中的长程传输进行研究，从而为i c f 点火系统提供 理论依据。 3 ) 聚焦焦斑质量 在i c f 系统靶场中，强紫外激光的位相畸变会导致聚焦焦斑光强分布不均 匀，而光强分布不均匀引起的峰值光强远高于平均光强又会进一步加剧受激拉 曼散射和受激布里渊散射等非线性效应，这不仅会降低激光的能量转换率，还 会产生大量有害的超热电子，提前加热靶丸，从而影响靶丸的压缩。同时，散 射光也将增加内爆靶丸辐射的不均匀性，因此，保证聚焦焦斑光强分布的均匀 性十分关键。此外，为保证聚焦光斑顺利通过靶腔小孔，如何最大限度地抑制 焦斑主瓣周围的旁瓣是有效提高激光能量注入率的关键。由此可见，i c f 对聚 焦焦斑质量的要求主要有：1 ) 焦斑中心分布尽可能均匀；2 ) 焦斑旁瓣低于一 定的阈值。同时，由于受靶腔注入口的限制，对聚焦焦斑的尺寸也有严格的控 制。 综上所述，在i c f 研究中，为了最终实现顺利点火，有必要对强基频激光 和强紫外激光在空气中长程传输时产生的s r r s 效应进行研究。研究工作的目 的和意义在于： 1 ) 对大型i c f 高功率固体激光驱动器中强激光在空气中长程传输产生的 s r r s 效应的研究，有利于i c f 系统提高激光打靶的质量。 2 ) 通过对s r r s 效应的研究，有利于控制s r r s 效应产生，从而对i c f 系统的优化提供理论依据。 3 ) 对长程传输后强紫外激光的聚焦焦斑形态及焦斑半径的研究，可为焦 斑质量的控制提供参考。 1 5 本论文的内容安排 本论文以我国惯性约束聚变研究需求为依托，针对1 c f 系统中基频光由主 放大器传输到频率转换器以及频率转换器输出的强紫外激光传输到靶场这两个 光束传输过程产生的受激旋转拉曼散射效应开展研究，并对强紫外激光的聚焦 1 0 第一章引言 特性进行了定量分析。论文主要内容安排如下： 第一章：引言 简单介绍了惯性约束聚变的概念以及惯性约束聚变的发展，并对惯性约束 聚变系统中的两个空气长程传输过程( 基频光由主放大器传输到倍频转换器和 强紫外激光由倍频转换器传输到靶场) 进行了介绍。针对i c f 系统中s r r s 效 应的研究现状，引出本论文研究的主要问题以及研究的目的及意义，最后，对 本文的主要内容安排做了介绍。 第二章：s r r s 模型 介绍了光散射和受激拉曼散射的基本原理，给出了描述空气中长程传输产 生的s r r s 效应的物理模型一m a x w e l l b l o c h l a n g e v i n 方程组及相应的数值计 算方法，并进一步给出了增益系数模型以及激光束波前位相畸变模型。 第三章：强激光s r r s 效应研究 针对不同光强和脉宽的基频激光和强紫外激光的s r r s 转换效率以及 s r r s 阈值进行研究。在考虑不同波前位相畸变情况下，分析了基频光和强紫 外激光的空间光强分布以及产生的s r r s 效应。针对不同的位相畸变，对强激 光的s r r s 阈值距离进行了研究。 第四章：波前位相畸变对强激光位相的影响 在不同波前位相畸变情况下，详细研究了强激光在空气中长程传输后的位 相变化，并定量分析了强激光的位相畸变随传输距离的变化规律。 第五章：波前位相畸变对强紫外激光聚焦的影响 研究了强紫外激光在空气中长程传输后的聚焦特性，并针对不同的波前位 相畸变，讨论了焦斑分布及焦斑半径的变化规律。 第六章：总结 对本论文的工作进行总结。 1 1 位相畸变对强激光s r r s 效应及聚焦特性的影响 四川大学硕十学位论文 参考文献 1 1 】 王淦昌 【1 2 】 张家泰 【1 3 】 朱少平 ，人造小太阳一受控惯性约束聚变，2 0 0 0 ，激光等离子体相互作用物理，中国工程物理研究院北京研究生部，1 9 9 5 ，惯性约束聚变研究介绍，北京应用物理与计算数学研究所 【1 4 】常铁强，激光聚变靶物理简介，北京应用物理与计算数学研究所，2 0 0 3 年 【1 5 】 b m v a nw o n t e r g h e m ，e ta 1 ，“b e a m l e t 系统及其初期性能实验结果”，惯性约束聚 变一驱动源技术译文集，( 内部资料) 1 9 9 6 【1 6 】 m i c h e ll a n d r e ，s t a t u so f t h el m j p r o j e c t ，s p i ev 0 1 3 0 4 7 ，3 8 - 4 2 ( 1 7 】 j a m c m o r d i ee ta 1 ，“c o n c e p t u a ld e s i g no f1 0 0 t ws o l i ds t a t el a s e r s y s t e m ”，s p i e ， v 0 1 2 6 3 3 ，1 9 9 5 1 8 ga k i r i l l o v , “d e v e l o p m e n to fah i 曲- p o w e r3 0 0 - k j n e o d y m i u ml u s e f ，s p i e v 0 1 3 0 4 7 ，4 3 - 5 3 【1 9 】 w h l o w d e r m i l k ，“s t a t u so f t h en a t i o n a li g n i t i o nf a c i l i t yp r o j e c t ，s p i e 。 v 0 1 3 0 4 7 1 6 3 7 i 1 0 】y i n gla n dt e r r a n c ei cr a m a ns c a t t e r i n gi na i r ：af o u r - d i m e n s i o n a ls y s t e ma n a l y s i s ， s p i e ，1 9 9 2 ，1 6 2 5 ：1 5 8 1 6 6 【1 11 】y i n gl ，t e r r a n c eka n djja r m s t r o n g l a s e rs y s t e mp o w e rb a l a n c ee f f e c t sf r o m s t i m u l a t e dr o t a t i o n a lr a m a n s c a t t e r i n gi na i r , s p i e ，1 9 9 2 ，1 8 7 0 ：1 4 2 5 【1 1 2 r o k n im r o t a t i o n a ls t i m u l a t e dr a m a ns e a r e d n gi na t m o s p h e r i cp r o p a g a t i o n a v e o e v e r e t tr e s e a r c hl a b o r a l o r yr e p o r t a m p , 1 9 8 4 ：6 6 3 【1 1 3 】w a n gcs t h e o r yo f s t i m u l a t e dr a m a ns c a t t e r i n g j p h y s r e v ，1 9 6 9 ，1 8 2 ( 2 ) ： 4 8 2 4 9 4 1 2 第二章s r r s 物理模型 2 1 光散射现象 所谓光散射就是一束光在通过介质时，有一部分能量偏离预定的传播方向 而向空间任意方向弥散开来的现象【2 。图2 1 1 给出了光散射现象示意图。从 光的电磁波本质不难了解这现象中光波的电磁场与介质中分子相互作用的过 程。由于介质的分子均由电子和原子核所组成，因此，光波的电场振动使分子 中的电子产生强迫振动，成为二次波源，向各个方向发射电磁波，从而形成散 射波。 图2 1 1 光散射现象示意图 光散射现象普遍存在于宇宙之中，它无时无刻不在与人们的日常生活相遇， 例如，蔚蓝的天空、日落的红霞都是大气中气体分子散射太阳光的现象。再有 南海的育色、冰川洞穴神秘的光彩也是光散射现象给人类带来的美景。当然， 光散射现象不仅给人类带来了美的享受，而更重要的是研究光散射现象，可以 使人们得到关于物质结构的丰富知识。 从散射光谱成分的特征，可将光的散射分为两大类：散射光的频率与入射 光频率相同的弹性散射和散射光的频率不等于入射光频率的非弹性散射。其中， 弹性散射又分为非纯净介质中的光散射和瑞利散射；非弹性散射包括拉曼散射、 1 3 位相畸变对强激光s r r s 效应及聚焦特性的影响 四川大学硕士学位论文 布里渊散射和瑞利翼散射。图2 1 2 给出了三种主要光散射的频率分布示意图 z 2 l 。 填髯 一 、蕞教， 0 1 0 41 0 5 ( a ) 瑞利散射 l 瞄里鞠6 u 0 刈u - 目 i 0o 。5l ( b ) 布里渊散射 拉曼 止 忆澍 05 1 0 0 0 ( c ) 拉曼散射 图2 1 2 三种主要光散射的频率分布 2 2 受激拉曼散射效应 当一束频率为，光通过液态、气态或固态介质时，其散射光谱中存在着相 对入射光有一定频移的成分略。频移量啡一( a s = 峨相应于这些介质内部某些 确定的能级跃迁频率，例如，晶体中光学声子的频率，这种散射就是自发拉曼 散射【2 3 】。通常，自发拉曼散射的效率是很低的，相应于每个入射光子的散射光 子为1 0 击l o 7 量级。当t o e c a s 时，这种散射叫作斯托克斯散射；当， o ( b ) 图2 2 1 光与物质相互作用的拉曼散射示意图 1 0 当入射光为一束足够强的激光时，拉曼散射将呈现受激的特点，这就是所 谓的受激拉曼散射【2 。此时的转换效率可高达6 0 7 0 ，理论上的转换效率趋 近l 也是可能的。 受激拉曼散射现象是1 9 6 2 年伍德伯里( w o o d b u r r y ) 和恩戈( n g ) 偶然发 现的。他们在研究以硝基苯作q 开关红宝石激光器的克尔盒时，探测到从克尔 盒发射出的强红外辐射信号，波长是7 6 7 o n m 。按照红宝石的能级及其与谐振 腔的耦合来看，该装置输出的激光光谱只存