本發(fā)明屬于激光核聚變的激光器設(shè)計技術(shù)，具體涉及一種驅(qū)動聚變沖擊點火的復(fù)雜形狀非相干激光脈沖的產(chǎn)生方法及裝置。

背景技術(shù)：

產(chǎn)生特定形狀的高能激光脈沖是激光驅(qū)動的沖擊點火核聚變一個基本要求。沖擊波點火要求高能激光脈沖由超短的尖鋒預(yù)脈沖，特定形狀的主脈沖和脈沖寬度百皮秒量級的沖擊點火脈沖三部分構(gòu)成。脈沖三部分之間的延時需要根據(jù)靶丸的設(shè)計及激光功率調(diào)整。受普克盒性能的限制，也很難用傳統(tǒng)的普克盒削波方法實現(xiàn)波形如此復(fù)雜的沖擊點火激光脈沖。因此，以國家點火裝置(nif)為代表的高能固體激光裝置發(fā)展了基于光纖光學(xué)的脈沖整形技術(shù)。

固體高功率激光裝置主要采用電光波導(dǎo)調(diào)制器將任意波形發(fā)生器產(chǎn)生的電壓波耦合到單模激光振蕩器輸出的偏振光脈沖上獲得復(fù)雜形狀的整形激光脈沖，然后通過單模保偏光纖輸出。作為激光脈沖整形的核心部件，波導(dǎo)電光調(diào)制器材料的選擇直接影響著脈沖整形系統(tǒng)的適用波段和整形脈沖的信噪比等性能。受材料特性的制約，目前以linbo3波導(dǎo)調(diào)制器為代表的光纖整形技術(shù)更適用于近紅外波段的相干光整形，很難應(yīng)用于相干性差，波長短的準(zhǔn)分子激光裝置。

針對高功率氟化氪激光直接驅(qū)動的沖擊點火，美國海軍實驗室提出了以光纖光學(xué)整形為基礎(chǔ)的前端種子光脈沖產(chǎn)生方案。即，利用高能固體激光裝置前端光纖電光脈沖整形系統(tǒng)輸出的紅外光脈沖作為控制脈沖，通過光學(xué)科爾門(opticalkerrgate)耦合到連續(xù)輸出的部分非相干氟化氪激光上，從而獲得預(yù)期的激光脈沖形狀。如圖1所示，沿x方向偏振的部分非相干(isi)連續(xù)光ei與作為控制脈沖的紅外相干脈沖ec共軸傳輸，控制脈沖在x-y平面的45°方向偏振。四波混合過程中，控制脈沖ec在非線性介質(zhì)中產(chǎn)生隨時間變化的雙折射效應(yīng)，使isi光ei的偏振方向在x-y平面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而將希望的脈沖形狀耦合在isi光脈沖的y偏振分量上，當(dāng)調(diào)制后的isi光ei通過檢偏元件后，沿y方向偏振的整形脈沖eiy被與沿x方向的偏振分量分離，從而獲得與控制脈沖形狀一致的控制脈沖。

該方案需要另行建立一套高能固體激光裝置前端作為控制脈沖的發(fā)生器，而且為有效實現(xiàn)科爾門的控制，需要確?？刂泼}沖保持一定的強度(gw/cm²)，客觀上增加了高能準(zhǔn)分子激光系統(tǒng)的復(fù)雜性和投資成本。同時，該方案要求isi光源為x方向的線偏振光，對isi光源的偏振濾波將造成激光能力的損耗，不利于充分利用高功率準(zhǔn)分子激光裝置前端的能量。需要指出的是，到目前為止，這一isi脈沖整形方案的實施效果仍未見報道證實。

總之，對于高功率準(zhǔn)分子激光裝置，由于其特有的短波長，寬頻帶，非相干，無偏振特性，目前還有成熟的isi脈沖整形方案。為滿足對直接驅(qū)動沖擊點火聚變的激光脈沖形狀的需求，仍需進一步發(fā)展高效易行的復(fù)雜形狀脈沖產(chǎn)生方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對海軍實驗室(nri)沖擊點火脈沖產(chǎn)生方案結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價昂貴的不足，提供一種高效易行的驅(qū)動聚變沖擊點火的復(fù)雜形狀非相干激光脈沖的產(chǎn)生方法及裝置。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種驅(qū)動聚變沖擊點火的復(fù)雜形狀非相干激光脈沖的產(chǎn)生方法，將亞納秒激光器輸出的激光脈沖經(jīng)分束片分束后，一部分亞納秒激光脈沖經(jīng)脈沖堆積器組成脈沖序列控制自由運轉(zhuǎn)的放電泵浦準(zhǔn)分子激光器腔內(nèi)的自發(fā)輻射產(chǎn)生和放大以獲得預(yù)期形狀的主脈沖(壓縮脈沖)；其余部分亞納秒激光脈沖傳輸至位于放電泵浦準(zhǔn)分子激光器輸出端光軸上的偏振分光片，s光被偏振分光片反射作為沖擊點火的預(yù)脈沖(picket)沿放電泵浦準(zhǔn)分子激光器軸線方向與主脈沖共軸傳輸，p光透過偏振分光片后被反射鏡反射，在此過程中p光兩次透過1/4波片使其偏振方向偏轉(zhuǎn)為s光，偏振分光片將反射光脈沖沿放電泵浦準(zhǔn)分子激光器軸線方向反射注入激光腔雙程放大；所述的反射光脈沖在雙程放大過程中再次兩次通過1/4波片使其偏振方向偏轉(zhuǎn)至p光，放大后的p偏振亞納秒脈沖透過所述偏振分光片，作為點火脈沖(spike)沿放電泵浦準(zhǔn)分子激光器軸線方向與主脈沖共軸傳輸。

進一步，如上所述的驅(qū)動聚變沖擊點火的復(fù)雜形狀非相干激光脈沖的產(chǎn)生方法，其中，所述預(yù)脈沖和點火脈沖之間的延時能夠通過改變光路長度的方式進行調(diào)節(jié)。

進一步，如上所述的驅(qū)動聚變沖擊點火的復(fù)雜形狀非相干激光脈沖的產(chǎn)生方法，其中，所述主脈沖(壓縮脈沖)與點火脈沖之間的延時能夠通過調(diào)節(jié)所述亞納秒激光器和放電泵浦準(zhǔn)分子激光器的外觸發(fā)延時控制。

進一步，如上所述的驅(qū)動聚變沖擊點火的復(fù)雜形狀非相干激光脈沖的產(chǎn)生方法，其中，所述獲取預(yù)期形狀的主脈沖的具體方法為：在放電泵浦準(zhǔn)分子激光器中脈沖形成初期，自發(fā)輻射沿光軸傳輸并連續(xù)放大，此時離軸注入一定強度和形狀的激光脈沖作為控制脈沖與自發(fā)輻射形成競爭放大，由于工作介質(zhì)的增益飽和效應(yīng)，自發(fā)輻射的增益系數(shù)隨著活性區(qū)內(nèi)注入激光的強度增長而降低，因而通過控制軸向傳輸自發(fā)輻射的產(chǎn)生和放大實現(xiàn)非相干(isi)脈沖的整形；通過調(diào)整控制脈沖的形狀可以控制工作介質(zhì)的部分損耗將其波形耦合到自發(fā)輻射(ase)脈沖前沿從而獲得特定形狀的預(yù)補償脈沖上升沿；放大后的控制脈沖經(jīng)一定時間延時(～3ns)再次反向注入工作介質(zhì)活性區(qū)與自發(fā)輻射競爭放大，由于激光脈沖強度足以使放大介質(zhì)飽和造成上能級粒子耗盡，則在該激光脈沖離開激光介質(zhì)活性區(qū)之前，自發(fā)輻射將不會再發(fā)生和放大，從而獲得期望的一個陡峭的脈沖后沿。

更進一步，如上所述的驅(qū)動聚變沖擊點火的復(fù)雜形狀非相干激光脈沖的產(chǎn)生方法，其中，所獲取的預(yù)期形狀的主脈沖為一個慢上升、快下降的自發(fā)輻射光脈沖輸出。

一種用于產(chǎn)生上述驅(qū)動聚變沖擊點火的復(fù)雜形狀非相干激光脈沖的裝置，包括亞納秒激光器和自由運轉(zhuǎn)的放電泵浦準(zhǔn)分子激光器，所述亞納秒激光器輸出的激光脈沖經(jīng)分束片分束后沿不同光路傳輸，在傳輸至放電泵浦準(zhǔn)分子激光器的光路上設(shè)有脈沖堆積器，在傳輸至放電泵浦準(zhǔn)分子激光器輸出端光軸上的偏振分光片的光路端部設(shè)有反射鏡，所述反射鏡與偏振分光片之間設(shè)有第一1/4波片，所述偏振分光片與放電泵浦準(zhǔn)分子激光器之間設(shè)有第二1/4波片，在放電泵浦準(zhǔn)分子激光器輸出光軸的后端設(shè)有端部反射鏡。

進一步，如上所述的裝置，其中，所述的放電泵浦準(zhǔn)分子激光器四周設(shè)有若干個用于反射控制激光脈沖的反射鏡。

本發(fā)明的有益效果如下：本發(fā)明所提供的驅(qū)動聚變沖擊點火的復(fù)雜形狀非相干激光脈沖的產(chǎn)生方法，與海軍實驗室利用科爾效應(yīng)進行脈沖調(diào)制的整形方案相比，增益損耗整形方案不再需要類似于nif前端激光器產(chǎn)生的整形紅外激光脈沖作為控制脈沖，因此也不再需要價格昂貴的任意波形發(fā)生器和電光調(diào)制裝置。本發(fā)明直接利用了氟化氪準(zhǔn)分子激光介質(zhì)增益飽和特性進行脈沖整形，也避免了光學(xué)科爾門帶來的不確定性。本發(fā)明充分利用了各個偏振方向的光脈沖，從泵浦功率利用效率上也優(yōu)于必須采用偏振光的海軍實驗室整形方案。此外，經(jīng)過放大的控制脈沖序列完全可以用作束靶物理診斷所需診斷激光脈沖的種子光，提高裝置的整體利用效率。本發(fā)明對應(yīng)用激光的波長、相干性和偏振性無特殊要求，對于高功率激光脈沖整形具有更好的普適性。

附圖說明

圖1為美國海軍實驗室部分非相干脈沖整形方案示意圖；

圖2為驅(qū)動沖擊點火所需激光脈沖形狀示意圖；

圖3為驅(qū)動聚變沖擊點火的復(fù)雜形狀非相干激光脈沖的產(chǎn)生方法及裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為沖擊點火所需整形主脈沖產(chǎn)生過程示意圖；

圖5為本發(fā)明具體實施例中利用超短脈沖和isi脈沖堆積產(chǎn)生的類沖擊點火脈沖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細(xì)的描述。

對激光直接驅(qū)動的沖擊點火核聚變而言，雖然靶丸參數(shù)不同，但是激光脈沖都擁有相同的基本結(jié)構(gòu)，由預(yù)脈沖(picket)，主脈沖(壓縮脈沖)和點火脈沖(spike)三部分構(gòu)成(如圖2所示)。其中預(yù)脈沖和點火脈沖均為寬度為數(shù)百皮秒的短脈沖，其脈沖形狀不要復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。但是主脈沖則應(yīng)始于一個10ns左右的低強度腳脈沖，然后緩慢上升至一個寬度為數(shù)納秒(～2.5ns)的高強度平頂(壓縮脈沖)。主脈沖平頂之后是一個延時可變的點火脈沖，其脈沖寬度約數(shù)百皮秒，因此可以推斷，主脈沖尾部的下降沿時間應(yīng)為亞納秒量級。

本發(fā)明具有準(zhǔn)分子激光器的增益飽和特性在自由運轉(zhuǎn)的非相干光源上實現(xiàn)形狀復(fù)雜的主脈沖輸出，進而將寬度為皮秒量級的預(yù)脈沖、點火脈沖與主脈沖堆積構(gòu)建出核聚變沖擊點火所需的激光脈沖。

利用脈沖整形的部分非相干光源和亞納秒激光構(gòu)建的沖擊點火激光脈沖光源如圖3所示，包括亞納秒激光器1和自由運轉(zhuǎn)的放電泵浦準(zhǔn)分子激光器6，所述亞納秒激光器1輸出的激光脈沖經(jīng)分束片2分束后沿不同光路傳輸，在傳輸至放電泵浦準(zhǔn)分子激光器6的光路上設(shè)有脈沖堆積器7，在傳輸至放電泵浦準(zhǔn)分子激光器輸出端光軸上的偏振分光片3的光路端部設(shè)有反射鏡5，所述反射鏡5與偏振分光片3之間設(shè)有第一1/4波片4，所述偏振分光片與放電泵浦準(zhǔn)分子激光器之間設(shè)有第二1/4波片8，在放電泵浦準(zhǔn)分子激光器輸出光軸的后端設(shè)有端部反射鏡9。

亞納秒激光器1輸出的激光脈沖經(jīng)分束片2分束后，一部分脈沖經(jīng)脈沖堆積器7組成特定形狀的脈沖序列控制自由運轉(zhuǎn)放電泵浦準(zhǔn)分子激光器腔內(nèi)的自發(fā)輻射的產(chǎn)生和放大以獲得預(yù)期形狀的主脈沖(壓縮脈沖)。其余部分亞納秒激光脈沖傳輸至位于放電泵浦準(zhǔn)分子激光器輸出端光軸上的偏振分光片3。其s偏振光經(jīng)被偏振分光片反射作為沖擊點火的預(yù)脈沖(picket)沿放電泵浦準(zhǔn)分子激光器軸線方向與主脈沖共軸傳輸。p光透過偏振分光片后被反射鏡5反射，由于p光兩次透過1/4波片4使其偏振方向偏轉(zhuǎn)為s光，因此偏振分光片將此部分光脈沖沿放電泵浦激光器軸線方向反射注入激光腔雙程放大。此亞納秒脈沖在雙程放大過程中再次兩次通過1/4波片8使其偏振方向偏轉(zhuǎn)至p光。放大后的p偏振亞納秒脈沖將通過偏振分光片3，作為點火脈沖(spike)沿放電泵浦準(zhǔn)分子激光器軸線方向與主脈沖共軸傳輸。預(yù)脈沖和點火脈沖之間的延時可以通過改變兩個終端反射鏡(endmirror)5、9之間的光路長度實現(xiàn)調(diào)節(jié)。主脈沖(壓縮脈沖)與點火脈沖之間的延時可以通過調(diào)節(jié)亞納秒激光器和放電泵浦準(zhǔn)分子激光器的外觸發(fā)延時控制。

部分非相干脈沖產(chǎn)生是自發(fā)輻射沿軸向傳輸和放大的過程，若自發(fā)輻射脈沖軸向傳輸過程中的增益可以隨時間改變，則可以輸出所希望的整形脈沖。理論上，激光脈沖的產(chǎn)生過程是一個自發(fā)輻射在光學(xué)增益介質(zhì)中沿軸向傳輸并振蕩放大的過程，一維光脈沖在[0，l]區(qū)間內(nèi)放大的frantz-nodvik方程描述：

方程中n1(x，t)和n2(x，t)分別表示上能態(tài)粒子密度和基態(tài)粒子密度，n(x，t)表示光子密度。σ表示共振吸收截面，c表示介質(zhì)中的光速。

由于激光放大器固有的非線性增益特性，不同強度的光脈沖在放大器中的放大倍數(shù)是不同的。低強度(iin＜＜isat)的光脈沖的放大主要是小信號增益(g＝exp(g0l))，當(dāng)入射激光強度超過激光器的飽和光強(iin)＞isat)時，光脈沖的放大增益降低。對于自由運轉(zhuǎn)的激光腔，如果在種子光脈沖的上升沿或下降沿分別疊加一個高強度光脈沖，使種子光脈沖該部分因增益介質(zhì)飽和得到較小的增益，其余光脈沖部分充分放大，從而在放大器輸出端得到整形的光脈沖。

沖擊點火所需整形主脈沖產(chǎn)生過程如圖4所示。亞納秒激光器1輸出的激光脈沖經(jīng)脈沖堆積器7組成特定形狀的脈沖序列經(jīng)高反鏡10、11、12注入自由運轉(zhuǎn)放電泵浦準(zhǔn)分子激光器6，從而控制放電泵浦準(zhǔn)分子激光器腔內(nèi)的自發(fā)輻射的產(chǎn)生和放大以獲得預(yù)期形狀的主脈沖(整形脈沖)。在放電泵浦準(zhǔn)分子激光器中脈沖形成初期，自發(fā)輻射沿光軸傳輸并連續(xù)放大。此時離軸注入一定強度和形狀的激光脈沖作為控制脈沖與自發(fā)輻射形成競爭放大，由于工作介質(zhì)的增益飽和效應(yīng)，自發(fā)輻射的增益系數(shù)隨著活性區(qū)內(nèi)注入激光的強度增長而降低，因而通過控制軸向傳輸自發(fā)輻射的產(chǎn)生和放大實現(xiàn)isi脈沖的整形。通過調(diào)整控制脈沖的形狀可以控制工作介質(zhì)的部分損耗將其波形耦合到自發(fā)輻射(ase)脈沖前沿可以獲得特定形狀的預(yù)補償脈沖上升沿。放大后的控制脈沖經(jīng)一定時間延時(～3ns)再次反向注入工作介質(zhì)活性區(qū)與自發(fā)輻射競爭放大，由于激光脈沖強度足以使放大介質(zhì)飽和造成上能級粒子耗盡，則在該激光脈沖離開激光介質(zhì)活性區(qū)之前，自發(fā)輻射將不會再發(fā)生和放大，從而獲得期望的一個陡峭的脈沖后沿。

由于氟化氪準(zhǔn)分子激光介質(zhì)的粒子翻轉(zhuǎn)時間(～2ns)，利用增益耗盡之后的粒子自由翻轉(zhuǎn)所能獲得的自發(fā)輻射脈沖上升沿時間不可能短于2ns。但是通過對激光介質(zhì)的部分損耗可以控制ase脈沖的產(chǎn)生過程從而獲得緩慢上升沿是完全可行的。但是如果利用增益耗盡對自發(fā)輻射脈沖后沿(尾部)進行整形，只要猝熄激光脈沖上升沿足夠短(比如采用亞納秒脈沖構(gòu)成的激光序列)則可以獲得希望的陡峭的脈沖后沿。實驗研究證明，在飽和放大條件下，氟化氪準(zhǔn)分子激光介質(zhì)活性區(qū)上能級粒子耗盡時間為百皮秒量級或者更短。因此，利用增益耗盡完全可以實現(xiàn)一個慢上升、快下降的自發(fā)輻射光脈沖輸出。

實施例

天光一號系統(tǒng)由前端的放電泵浦準(zhǔn)分子激光器(lpx-150)、三腔并聯(lián)的初級放電泵浦準(zhǔn)分子激光放大器chel3300，預(yù)放和主放兩級電子束泵浦準(zhǔn)分子激光放大器以及各級之間的光學(xué)原件組構(gòu)成。系統(tǒng)前端lpx-150被改造成光束均勻性優(yōu)于2％的無階梯誘導(dǎo)非相干(efisi)光源。前端高均勻性的光束截面通過像傳遞光路在靶面成像以獲得高均勻性的靶面輻照。

為開展沖擊點火的相關(guān)實驗研究，在天光裝置上開展了非相干脈沖整形的相關(guān)工作。其中現(xiàn)有百飛秒紫外光源輸出的激光脈沖經(jīng)放電泵浦激光器放大后展寬至皮秒量級，作為沖擊點火脈沖的預(yù)脈沖(picket)和點火脈沖(spike)。主脈沖則來源于天光一號系統(tǒng)的前端——放電泵浦準(zhǔn)分子激光器lpx-150振蕩腔。光路布局如圖3所示，紫外飛秒系統(tǒng)輸出的激光脈沖經(jīng)放電泵浦準(zhǔn)分子激光器放大后展寬至皮秒量級，然后傳輸至位于自由運轉(zhuǎn)的放電泵浦準(zhǔn)分子激光器輸出端光軸上的偏振分光片3。皮秒脈沖的s偏振分量經(jīng)偏振分光片反射后作為沖擊點火的預(yù)脈沖(picket)沿放電泵浦激光器軸線方向與主脈沖共軸傳輸。p光透過偏振分光片后被反射鏡5反射，由于p光兩次透過1/4波片4使其偏振方向偏轉(zhuǎn)為s光，因此偏振分光片將此部分光脈沖沿放電泵浦激光器軸線方向反射注入激光腔雙程放大。此亞納秒脈沖在雙程放大過程中再次兩次通過1/4波片8使其偏振方向偏轉(zhuǎn)至p光。放大后的p偏振亞納秒脈沖將通過偏振分光片，作為點火脈沖(spike)沿放電泵浦準(zhǔn)分子激光器軸線方向與主脈沖共軸傳輸。預(yù)脈沖和點火脈沖之間的延時可以通過改變兩個終端反射鏡(endmirror)5、9之間的光路長度實現(xiàn)調(diào)節(jié)。主脈沖(壓縮脈沖)與點火脈沖之間的延時可以通過調(diào)節(jié)亞納秒激光器和放電泵浦準(zhǔn)分子激光器的外觸發(fā)延時控制。當(dāng)作為點火脈沖的皮秒脈沖在準(zhǔn)分子激光器放電結(jié)束時刻注入激光腔時，由于氟化氪增益介質(zhì)的上能級壽命為納秒量級，因此仍可充分放大。當(dāng)此皮秒脈沖足夠強時，將造成增益介質(zhì)的上能級粒子被充分提取而耗盡，因此自發(fā)輻射難以充分放大甚至難以產(chǎn)生，因此可以觀察到主脈沖尾部形成陡峭的下降沿。

利用圖3所示沖擊點火的復(fù)雜形狀非相干激光脈沖的產(chǎn)生方案在“天光一號”高功率準(zhǔn)分子激光系統(tǒng)的種子光源上獲得的整形脈沖如圖5所示(tektronix：tds640)，激光脈沖已經(jīng)初步具備圖2所示的沖擊點火激光脈沖輪廓。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若對本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其同等技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。