激光惯性约束聚变直接驱动的连续动态聚焦装置和方法
阅读说明：本技术 激光惯性约束聚变直接驱动的连续动态聚焦装置和方法 (Continuous dynamic focusing device and method directly driven by laser inertial confinement fusion ) 是由 刘德安 韩璐 崔子健 李展 杨帅帅 张盼 朱健强 于 2019-11-08 设计创作，主要内容包括：一种激光惯性约束聚变直接驱动高功率激光器的连续动态聚焦装置和方法。该装置由透镜状电光晶体、电压源和两片平行金属电极构成。本发明利用能承受高功率密度的电光晶体来实现在高功率激光系统终端的连续动态聚焦,避免了现有连续动态聚焦方案对激光在高功率激光系统中的传输、放大以及频率转换过程造成的影响,为实现高功率激光装置的连续动态聚焦提供了一种新的方案。(A continuous dynamic focusing device and method for a laser inertial confinement fusion direct-driven high-power laser. The device consists of a lens-shaped electro-optic crystal, a voltage source and two parallel metal electrodes. The invention realizes the continuous dynamic focusing at the high-power laser system terminal by using the electro-optic crystal which can bear high power density, avoids the influence of the prior continuous dynamic focusing scheme on the transmission, amplification and frequency conversion processes of laser in the high-power laser system, and provides a new scheme for realizing the continuous dynamic focusing of the high-power laser device.)
技术领域
本发明涉及激光惯性约束聚变，特别是一种激光惯性约束聚变直接驱动的连续动态聚焦装置和方法。
背景技术
激光惯性约束聚变的研究对于新能源开发、实验室天体物理、高能物理的研究具有重要意义，其驱动方式大致可分为直接驱动和间接驱动。在直接驱动模式下，装有聚变燃料的靶丸在被激光辐照的过程中，尺寸会逐渐减小，这将导致靶丸表面不均匀性的增加以及激光能量的大量损失，极大地降低激光与靶丸之间的能量耦合效率。通过动态调整激光聚焦光斑的位置和尺寸，使激光聚焦光斑的尺寸与靶丸尺寸始终保持一致，可以极大地提高激光与靶丸之间的能量耦合效率，有利于实现聚变点火。现阶段，许多激光聚变装置上已经采用动态聚焦的方式来提高激光与靶丸之间的能量耦合效率，其动态聚焦的实现方式大致可以分为离散型和连续型两种。
离散型动态聚焦是通过控制不同的光束在特定的位置和时刻产生尺寸逐渐减小的焦斑。美国的Nike、OMEGA、NIF以及欧洲的HiPER装置中的动态聚焦方案均属于此类。尽管这一类动态聚焦方案使激光与靶丸之间的能量耦合效率得到了提升，但对脉冲之间的衔接提出了很高的要求，此外，由于每个时刻只有一部分光束用于辐照靶丸，限制了激光系统能量输出的峰值，无法同时利用激光系统的全部能量来驱动激光惯性约束聚变，这导致了对于单光束能量要求的提升。如果可以实现对激光聚焦光斑位置和尺寸的连续控制，可以使激光系统的输出能力得到充分利用，在获得更高的能量耦合效率的同时降低对单光束能量的需求，这对于避免激光系统中光学器件的损伤具有重要意义。由于响应速度和损伤阈值的限制，液晶空间光调制器一类的动态光场调制器件无法应用于此类大型激光聚变驱动装置中，现阶段可用于大型激光聚变驱动装置中的连续型动态聚焦方案主要有两种：在系统前端放置带有电极的电光晶体，通过电极在晶体中产生非均匀的电场，使晶体中产生透镜状的折射率梯度变化，通过控制电场强度来控制光束的波前，改变聚焦光斑的位置和尺寸；在系统输出端利用聚焦光栅聚焦宽带的激光脉冲，此方案在系统前端产生宽带脉冲，并通过色散等技术使宽带脉冲中不同波长的光具有不同的时间延迟，在不同时刻通过聚焦光栅，利用聚焦光栅焦距随波长变化的特性，可以实现聚焦光斑位置随时间的连续变化。前者由于在系统前端引入了调制，会对光束在后续光路中的传输造成影响，例如容易导致堵孔效应以及频率转换时的相位失配等；而后者使用宽带光束也会导致激光放大和频率转换的效率降低。为了在实现动态聚焦的同时，保证光束质量和输出功率，应该尽可能避免影响激光主体系统的放大与传输，因此探索不干扰激光系统的高效简洁的新方案具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是针对上述技术方案的不足，提出一种适用于高功率激光器的连续动态聚焦装置和方法，在不影响激光主体系统的放大与传输的条件下，实现对光束焦点位置的连续动态控制。本发明利用在场强可调的匀强电场中的透镜状电光晶体对光束进行聚焦，利用电光晶体所具有的电光效应，通过调节电压源的输出电压，使透镜状电光晶体所处匀强电场的场强发生连续变化，可以控制晶体折射率的变化，从而改变透镜状电光晶体的焦距，实现对激光聚焦光斑位置的连续动态调控。
本发明的技术解决方案如下：
一种激光惯性约束聚变直接驱动高功率激光器的连续动态聚焦装置，其特点在于，包括：透镜状电光晶体、两片平行的金属电极和电压源；所述的两片平行的金属电极位于所述的透镜状电光晶体的两侧的平面与所述的透镜状电光晶体的光轴垂直；所述的两片平行金属电极分别与所述的电压源的正负极相连，所述的电压源输出的电压连续可调。
利用上述高功率激光器的连续动态聚焦装置的连续动态聚焦方法，其特点在于，该方法包括下列步骤：
1)在激光系统输出终端与所述的透镜状电光晶体之间放置聚焦透镜，该聚焦透镜与所述的透镜状电光晶体构成透镜组，所述的聚焦透镜与所述的透镜状电光晶体之间的距离为透镜间距D，根据所述的透镜状电光晶体两侧的平行金属电极之间施加的电压为U＝0时光束焦点的位置f0和施加最大电压时的光束焦点位置为f0+Δf，光束焦点的位置调节范围为Δf，选择合适焦距f1的聚焦透镜和透镜间距D，并在此基础上通过下列公式计算出所需要的透镜状电光晶体的初始焦距f2：
f0＝D+fb，
其中，
2)所述的透镜状电光晶体前后表面极点的连线应与yE(或xE)平行，入射光束的偏振方向则应沿xE(或yE)方向，所述的yE或xE为透镜状电光晶体在电场中折射率椭球的主轴，所述的两片平行的金属电极位于所述的透镜状电光晶体的两侧的平面与所述的透镜状电光晶体的光轴垂直；所述的两片平行金属电极分别与所述的电压源的正、负极相连；
3)根据需要连续调节所述的电压源输出的电压，使透镜状电光晶体所处匀强电场的强度发生连续变化，从而改变电光晶体的折射率，使透镜状电光晶体的焦距发生连续变化，实现所述的高功率激光器的输出激光束的连续动态聚焦。
本发明的技术效果：
1、利用透镜状电光晶体，为激光束附加球面波前，产生聚焦效果，并利用电光效应，通过电压源对透镜状电光晶体所处匀强电场场强的连续控制来改变电光晶体的折射率，使透镜状电光晶体的焦距发生变化，从而实现对聚焦光斑位置的连续调节；
2、通过对电压源输出电压的连续调节，可以在单光束中实现对聚焦光斑位置的连续动态调节，避免了现有直接驱动中多光束离散式动态聚焦所面临的激光脉冲衔接以及限制激光器输出能力的问题；
3、具有高损伤阈值的电光晶体的应用，可以使该系统应用于高功率激光系统的输出端，避免了现有连续动态聚焦方案在前端调控时对激光整形和频率转换等造成的影响；
4、在实际应用中，根据实际所需要的聚焦距离，通过对聚焦透镜、聚焦透镜与透镜状电光晶体之间的相对位置等参数的调整，可以控制动态聚焦的调制范围。
附图说明
图1为本发明激光惯性约束聚变直接驱动的连续动态聚焦装置的示意图；
图2为两片平行金属电极之间的电场分布；
图3为DKDP晶体沿光轴方向施加电场时折射率主轴坐标变化示意图；
图4为一种适用于激光惯性约束聚变直接驱动的连续动态聚焦方法的示意图；
图5为利用图4中的方法进行动态聚焦时，在确定聚焦距离和电压源输出电压的情况下，动态聚焦的调制范围随透镜间距变化的关系；
图6为利用图4中的方法进行动态聚焦时，在确定聚焦距离、聚焦透镜焦距以及透镜状电光晶体位置后，焦点位置变化量与电压值之间的关系。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明进行具体说明。
请先参阅图1。图1为本发明适用于激光惯性约束聚变直接驱动的连续动态聚焦装置的示意图，由图可见，本发明激光惯性约束聚变直接驱动高功率激光器的连续动态聚焦装置，包括：透镜状电光晶体1、两片平行的金属电极2和电压源3；所述的两片平行的金属电极2位于所述的透镜状电光晶体1的两侧的平面与所述的透镜状电光晶体1的光轴垂直；所述的两片平行金属电极2分别与所述的电压源3的正、负极相连，所述的电压源3输出的电压连续可调。
激光器发出的光束在经过透镜状电光晶体1时，光束被聚焦，利用电光晶体折射率随电场变化的特性，通过电压源3的连续调节，使两片平行金属电极之间产生场强可调的匀强电场，所述的透镜状电光晶体1的折射率在电场作用下发生连续变化，从而实现对光束焦点位置的连续调节。
下面通过一个实施例对本发明适用于激光惯性约束聚变直接驱动的连续动态聚焦装置和方法进行理论分析，该实施例的透镜状电光晶体1为DKDP晶体，由于DKDP晶体具有较高的损伤阈值和电光系数，且其电光系数随含氘量的增加而增大，因此在理论分析中以含氘量98％的透镜状DKDP晶体为例：
图1中，所述的透镜状电光晶体1的光轴沿z轴方向，两平行金属电极2所在平面与透镜状DKDP晶体1的晶体光轴(z轴)垂直，激光沿x轴入射，偏振方向与z轴垂直，在通过透镜状DKDP晶体1时，受到exp[-jk(x2+z2)/(2f)]的相位调制，产生聚焦效果，其中k＝2π/λ，f为焦距。不加电场时，所述的透镜状DKDP晶体1的焦距f由其前后表面的曲率半径与晶体中o光折射率no共同决定：
其中，R1、R2为透镜状DKDP晶体1前后表面的曲率半径。
设两金属电极2之间的距离为d，电压为U，则两片金属电极2之间的电场强度为：E＝U/d，且电场方向与晶体光轴(z轴)方向平行，因此电场分量Ex＝Ey＝0，Ez＝E，电场分布如图2所示。由于DKDP晶体为负单轴晶体，属于四方晶系，点群，这一类晶体的电光张量γij中，只有γ41和γ63为独立的电光系数，未加电场时，此类晶体主轴的折射率为：nx＝ny＝no，nz＝ne，且no＞ne，不同波长的光所对应的折射率no、ne可以通过Sellmeier Equation计算得到。当透镜状DKDP晶体1处于方向沿z轴方向，强度为Ez的外加电场中时，晶体的折射率椭球的主轴会发生偏转，新的折射率椭球的主轴的折射率为：
此时，DKDP晶体由单轴晶体变成双轴晶体，其折射率椭球的主轴由原来的x0、y0绕z轴旋转了45°，变成了xE、yE，如图3所示。因此，透镜状DKDP晶体1在制作时，需要使其前后表面极点的连线沿xE或yE方向，即其主平面与z-yE面或z-xE面平行，相应的，入射光束的偏振方向则沿yE或xE方向。此时(1)式中的no被(2)式中的nx_E或ny_E所代替，焦距成为电场强度的函数，因此，通过调节电压使电场强度发生连续变化，可以实现对透镜状DKDP晶体焦距的连续调节。
图4为本发明适用于激光惯性约束聚变直接驱动的连续动态聚焦方法的示意图：在上述连续动态聚焦系统的前端放置聚焦透镜4，使聚焦透镜4与所述的透镜状DKDP晶体1构成透镜组，则图中焦点位置与透镜状DKDP晶体1之间的距离，即透镜组的后焦距为：
其中，透镜间距D为聚焦透镜4与所述的透镜状DKDP晶体1之间的距离，f1、f2分别为聚焦透镜4与透镜状DKDP晶体1的焦距。定义透镜组的聚焦距离f0为焦点与聚焦透镜4之间的距离，由几何关系可知
f0＝D+fb (4)
由(3)式和(4)式可知，聚焦距离f0是聚焦透镜4的焦距f1、透镜状DKDP晶体1的焦距f2、透镜间距D的函数，通过调节f1、f2、D对动态聚焦的调制范围进行控制，由于f2为电压源3输出电压的函数，因此，在f1、D及透镜状DKDP晶体1初始焦距f2确定的情况下，通过连续改变电压源3的输出电压，可以使聚焦距离f0发生连续变化。在实际应用中，可根据聚焦距离和调制范围，选择合适焦距的聚焦透镜4和透镜间距D，并在此基础上通过(3)式和(4)式计算出所需要的透镜状电光晶体1的初始焦距。
下面给出我们对上述连续动态聚焦方法的模拟实例：
假设聚焦距离f0＝3.0m，聚焦透镜4的焦距为f1，在聚焦透镜4后距离D处放置具有合适焦距的透镜状DKDP晶体1，使光束的焦点位置与聚焦透镜4的间距f0＝3.0m，所需透镜状DKDP晶体1的初始焦距可通过(3)式和(4)式求出。通过电压源3给两片平行金属电极2加电压，两片平行金属电极2的间距为d＝40.0mm，当电压为U＝10kV时，光束焦点相对于U＝0时的位置变化量Δf与透镜间距D的关系曲线如图5所示。模拟中所用入射光波长为632.8nm，沿yE入射，偏振方向沿xE。该组曲线给出了在一定电压范围内，焦点位置的调制范围与透镜间距D之间的关系，依据该曲线，可以对系统中聚焦透镜4的焦距f1、透镜间距D进行优化，并以此计算出所需透镜状DKDP晶体1的焦距。
依据图5中的曲线，我们选择以聚焦透镜4的焦距f1＝1.0m，透镜间距D＝0.75m为例，利用(3)式和(4)式可以计算出使光束焦点位于f0＝3.0m处所需的透镜状DKDP晶体1焦距f2＝-0.28m，此时透镜状DKDP晶体1的形状为凹透镜，由于DKDP晶体γ63＜0，为了在电压增大过程中，聚焦距离f0随电压增大，即焦点位置变化量Δf为正值，由(2)式可知，透镜状DKDP晶体1前后表面极点的连线应与图3中yE平行，入射光束的偏振方向则应沿xE方向。在上述条件下，焦点位置变化量Δf与电压U之间的关系曲线如图6所示。
可以看出，本发明利用电光晶体折射率随电场强度变化而变化的特性，通过对电压源3输出电压的调节，使透镜状电光晶体1的折射率发生连续的变化，实现了对焦点位置百微米量级的连续动态调节，且通过调节透镜组中透镜间距D可以实现对动态聚焦调制范围的优化。由于DKDP晶体具有较高的损伤阈值，该装置可应用于高功率激光驱动器的输出端，实现对输出激光聚焦光斑位置的连续动态调节。特别是在激光惯性约束聚变中，对聚焦光斑的位置和尺寸实现百微米量级的连续调节，可以有效地提高激光与靶丸之间的能量耦合效率。该发明装置简单，可以在单光束条件下实现对激光束聚焦光斑位置百微米量级的连续动态调控，避免了离散式动态聚焦方案中存在的激光脉冲衔接以及限制激光器输出能力的问题，同时，相比于现有的连续动态聚焦方案，该发明中所用系统位于激光系统末端，避免了对激光在系统内的传输、放大以及频率转换造成影响，对于大型激光驱动系统具有重要的应用价值。
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