[發明專利]驅動聚變沖擊點火的復雜形狀非相干激光脈沖的產生方法及裝置

有效

• 申請號: 201710440512.3
• 申請日: 2017-06-12
• 公開（公告）號: CN107086431B
• 公開（公告）日: 2019-05-24
• 發明（設計）人: 高智星;李靜;王雷劍;陸澤;路建新
• 申請（專利權）人: 中國原子能科學研究院
• 主分類號: H01S3/225
• 分類號: H01S3/225;H01S3/102;H01S3/104
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本發明涉及一種驅動聚變沖擊點火的復雜形狀非相干激光脈沖的產生方法及裝置，該方法利用準分子激光器的增益飽和特性在自由運轉的非相干光源上實現形狀復雜的主脈沖輸出，進而將寬度為皮秒量級的預脈沖、點火脈沖與主脈沖堆積構建出核聚變沖擊點火所需的激光脈沖。本發明不需要價格昂貴的任意波形發生器和電光調制裝置，直接利用了氟化氪準分子激光介質增益飽和特性進行脈沖整形，避免了光學科爾門帶來的不確定性，經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。本發明對應用激光的波長、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。

技術領域

本發明屬于激光核聚變的激光器設計技術，具體涉及一種驅動聚變沖擊點火的復雜形狀非相干激光脈沖的產生方法及裝置。

背景技術

產生特定形狀的高能激光脈沖是激光驅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成。脈沖三部分之間的延時需要根據靶丸的設計及激光功率調整。受普克盒性能的限制，也很難用傳統的普克盒削波方法實現波形如此復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展了基于光纖光學的脈沖整形技術。

固體高功率激光裝置主要采用電光波導調制器將任意波形發生器產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，波導電光調制器材料的選擇直接影響著脈沖整形系統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波導調制器為代表的光纖整形技術更適用于近紅外波段的相干光整形，很難應用于相干性差，波長短的準分子激光裝置。

針對高功率氟化氪激光直接驅動的沖擊點火，美國海軍實驗室提出了以光纖光學整形為基礎的前端種子光脈沖產生方案。即，利用高能固體激光裝置前端光纖電光脈沖整形系統輸出的紅外光脈沖作為控制脈沖，通過光學科爾門(optical Kerr Gate)耦合到連續輸出的部分非相干氟化氪激光上，從而獲得預期的激光脈沖形狀。如圖1所示，沿X方向偏振的部分非相干(ISI)連續光E_I與作為控制脈沖的紅外相干脈沖E_C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E_C在非線性介質中產生隨時間變化的雙折射效應，使ISI光E_I的偏振方向在X-Y平面發生旋轉，從而將希望的脈沖形狀耦合在ISI光脈沖的Y偏振分量上，當調制后的ISI光E_I通過檢偏元件后，沿Y方向偏振的整形脈沖E_IY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生器，而且為有效實現科爾門的控制，需要確保控制脈沖保持一定的強度(GW/cm²)，客觀上增加了高能準分子激光系統的復雜性和投資成本。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。為滿足對直接驅動沖擊點火聚變的激光脈沖形狀的需求，仍需進一步發展高效易行的復雜形狀脈沖產生方法。

發明內容

本發明的目的在于針對海軍實驗室(NRI)沖擊點火脈沖產生方案結構復雜，造價昂貴的不足，提供一種高效易行的驅動聚變沖擊點火的復雜形狀非相干激光脈沖的產生方法及裝置。