多模光纤激光束匀滑研究

【摘要】在激光惯性约束核聚变研究中,为了达到实际的打靶需求,需要实际的靶面辐照达到非常高的均匀性,然而由于各种高功率的激光装置所输出的光束都并不能直接满足要求。因此为了使靶面光强分布均匀,需要研究各种高功率的激光装置所输出的光场束匀滑的方法。而激光聚变能发电有一个关键因素是激光驱动器的效率,高驱动器效率将大大降低对驱动器泵浦能量要求,使系统装置更加紧凑而且降低了成本。波导激光器如半导体泵浦的Yb光纤激光器其光光转换效率已接近70%,且可高重复频率运转,将为激光聚变发电提供潜在的发展机会。基于上述考虑,2008年G.A.Mourou提出了一种新的惯性约束驱动器方案,是基于光纤放大网络(FiberAmplificationNetwork:FAN)的激光驱动器,可以用来实现惯性约束核聚变(InertialConfinementFusion:ICF),采用直接驱动和快点火方式打靶。直接驱动方式对光纤激光靶面辐照的均匀性要求很高,需要对数量众多单元光纤激光束及其分布特性进行优化设计以达到靶面辐照均匀性的要求。所以本文重点分析了多模光纤激光靶面辐照匀滑特性。分析了采用阵列透镜匀滑方案对多模光纤激光集束后的光强的影响,通过模拟和实验研究了影响多模光纤激光集束后的匀滑特性的各种因素。论文主要研究工作和取得的成果如下：1.光纤激光靶面匀滑特性的实验研究。使用衍射型透镜阵列系统对多模光纤激光输出的光场进行匀滑实验,采用不同阵列透镜和傅里叶透镜作为匀滑元件,证实了阵列透镜的子单元透镜尺寸参数严重影响了它的匀滑效果,随着子单元透镜尺寸的减小,匀滑效果并不会一直改善。并对实验中其他可以改变的参数进行实验探讨,得出一系列的对比实验结果,讨论了影响多模光纤激光靶面匀滑特性的因素和控制方法。2.采用计算机模拟和深入分析实验数据,分析了不同参数对于最终靶面匀滑特性的实际影响效果,发现了实验中靶面离焦距离、光纤激光光强、透镜阵列参数、集束激光数目等实验参数对匀滑效果的具体影响规律和靶面不均匀度减少的趋势,与理论结果相对照,指导了未来基于光纤放大网络的激光惯性约束核聚变驱动器中的匀滑方案研究。3.采用合适的透镜阵列参数进行相应的实验,可获得聚焦后靶面处的极小光斑,其靶面光场顶部区域RMS(RootMeanSquare)低于5%,顶部光场十分陡峭,低频调制较少,证实了采用多模光纤激光集束进行匀滑以达到激光惯性约束核聚变的靶面辐照均匀性要求的可行性。论文的创新点主要包括1.研究了基于光纤放大网络(FiberAmplificationNetwork:FAN)实现ICF的方案中多模光纤激光集束匀滑方案,实验采用阵列光纤光源和衍射型透镜阵列匀滑方案获得了较好的匀滑效果。2.实验验证了阵列光纤光源数目和靶面离焦位置对靶面激光匀滑效果的具体影响,证实了设计方案的有效性,指出了增加集束光纤激光数目可以有效的改善匀滑效果。
【作者】韩海啸；
【导师】许立新；
【作者基本信息】中国科学技术大学，光学，2014，硕士
【关键词】激光技术；激光匀滑；光纤激光器；透镜阵列；惯性约束聚变；

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