1第一章引言Word格式.docx
《1第一章引言Word格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《1第一章引言Word格式.docx（11页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
1．激光辐射（图1-1a）：
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（图1-1b）：
靶丸表面热物质向外喷发，反向压缩燃料。
3．聚变点火（图1-1c）：
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（图1-1d）：
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。
（a）（b）（c）（d）
图1-1惯性约束聚变过程的四个阶段
根据强激光束引燃聚变的方式不同，目前惯性约束聚变的实现方式可分为两种（见图1-2）：
一种是直接驱动，它是指直接将激光能量均匀地辐照到靶上，以获得靶丸内爆的对称性和高的增益。
激光与靶壳相互作用产生的等离子体向外膨胀，其产生的反向压力驱动剩余靶壳向内运动压缩靶丸产生聚变；
采用直接驱动可以通过较少的能量实现聚变点火，但对靶丸辐照的均匀度的要求十分苛刻；
另一种为间接驱动，即将氘氚小球放在由高Z材料制成的靶腔内，将激光能量辐照到靶腔的内壁上，靶腔内壁吸收激光能量产生X光再辐照压缩靶丸，实现聚变。
间接驱动方式对激光驱动的均匀性和对称性要求较之直接驱动要低些，但因为X光辐射输运过程降低了激光能量的利用率，因此需要的辐照激光能量要高。
目前受控核聚变主要是氘（D）氚（T）为聚变燃料的反应，这不仅是因为D-T聚变反应容易实现，而且氚（D）氘（T）燃料来源十分丰富。
在普通水中含有大量的氘原子，D-T反应所需的氚，可以通过D-D聚变反应获得。
从每升水中提取的氘用来产生的聚变能约是70升石油燃烧产生的能量。
在地球上有着大量的水资源。
可以说聚变能是一种取之不尽、用之不竭的能源，同时也是一种干净、安全的能源，并较之裂变能更为便宜。
ICF最主要的民用项目是将其建成一种丰富、经济、无环境污染的电源。
这是世界上有核国家和无核国家开展惯性约束聚变的根本原因。
另外，ICF作为一种科研工具，将在今后物理学的六个领域里扮演重要的角色，为这些领域的研究提供了前所未有的机遇：
*激光－原子前沿的物理学；
*相对论等离子体波；
*人工改变结构材料的物理特性；
*生物分子动力学；
*宇宙学；
*极限条件下的物质特性研究。
在军事上，ICF实验能够释放出100-1000MJ的热核能量，可在实验室的小范围内产生与核武器相似的条件。
利用这些条件可在核禁试条件下，结合先进的计算模拟，继续进行武器物理研究，发展与确保核武器的可靠性、安全性和有效性。
ICF非同寻常的意义，引起了各国科学家的广泛兴趣。
研制各自的高功率激光惯性约束聚变驱动系统，成为各国战略部署的重要组成部分。
表1-1显示了目前世界上现有ICF激光驱动器装置现状。
从某种程度上说，ICF固体激光装置的研制规模成为各国综合科技实力的重要标志之一。
激光束
（a）（b）
图1-2惯性约束聚变驱动方式
（a）直接驱动（b）间接驱动
目前高功率固体激光技术进入了一发展高潮时期。
激光聚变驱动技术的研究得到各国的极大重视和投入，各国已先后制定了相应的发展计划（见表1-2）。
在这方面，美国处在领先的地位。
1998年10月21日，美国能源部批准了“国家点火设施”（NationalIgnitionFacility,NIF）计划，希望在2010年左右实现热核点火。
总投资18亿美元。
从现有报道来看，研制经费还将继续追加。
目前NIF已进入工程施工阶段。
在国家点火装置进行工程化建造前，美国LLNL已按NIF设计参数完成了全尺寸的单路原型样机（Beamlet）的建造并在上面完成了大部分关键单元技术的实验研究，为NIF的建造打下良好的基础。
美国NIF计划的实施及Beamlet的建成和取得的成功经验更加明确的为ICF的研究指明了方向。
1993年，法国原子能委员会批准了LMJ计划。
英国基于美国LLNL的技术支持，亦开展了建造功率为100TW的激光系统的研究工作，俄罗斯在经过数10年发展碘激光技术之后，也转向发展固体激光技术的研究。
表1-1各国ICF驱动器参数表
装置名称
实验室
能量
束数
建成时间
Nova
美国利弗莫尔实验室
40KJ/3
10
1984
Omega
美国罗彻斯特大学
30KJ/3
60
1995
Gekko-Ⅻ
日本大坂大学
15KJ/3
12
1983
Phebus
法国里梅尔
10KJ/3
2
Vulcan
英国卢瑟夫实验室
2KJ/3
8
我国在1983年,建成星光-I激光装置，并在1995年升级为星光-II（300J），1985年建成神光-I装置，在2000年升级为神光-II（6KJ）。
ICF的研究已被列入863高科技项目中，1993年成立了国家高技术惯性约束聚变委员会，制定了神光-III的发展计划并已着手进行前期的原形样机TIL的研制，预计将在21世纪前十年建成神光-III激光装置。
表1-2各国ICF驱动器发展计划简表
装置
国家
NIF
美国
1.8MJ
192
LMJ
法国
240
?
10-TW
英国
100KJ
32
ISRKA-6
俄国
300KJ
128
金刚
日本
SG-III
中国
60KJ
1.2ICF固体激光驱动器的组成和总体技术要求
惯性约束聚变是在极小的空间尺度（0.1~1mm）、极短的时间（~10-9秒）、和极高的温度（1~5百万度）、高密度等极端条件下所发生的物理过程。
从ICF驱动器系统的组成和规模来看，研制这种高功率固体激光装置，将涉及到极其广泛的科学领域，并要应用多种先进的技术。
可以说惯性约束聚变驱动器的研制是一种高技术、知识密集型的大科学工程，涉及的学科或专业主要包括物理、现代光学工程技术、精密机械制造、精密光学加工、电子及自动化控制、特种材料制造、先进的现代管理方式等。
1.2.1ICF固体激光驱动器结构
如图1-3所示，高功率固体激光驱动器主要由前端-预放大级、主放大级、频率转换器、靶场等系统组成。
之外还有能源、激光参数测量和控制等系统。
*前端预放级
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，同时前端预放级具有对脉冲进行时间上和空间上的整形能力，并能将脉冲进行一定的放大。
图1-3ICF固体激光驱动器的基本组成结构图
*主放大级
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。
它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。
主放大级结构有两种，一种是MOPA结构，即单程放大的主振功放构型，该技术相当成熟，结构简单，技术风险低，但系统规模庞大，费用昂贵。
现有的ICF驱动器，如NOVA、Omega等均采用这种技术。
另外一种是多程放大技术，与MOPA相比，对于相同的系统输出水平，可较大幅度降低对前级驱动能量的要求，放大系统的效率得到提高，因此具有更高的性能价格比。
同时这种技术实现难度大、风险高。
*频率转换器
频率转换器主要是将主放大级输出的1.06m的基频光转换为打靶所需的三倍频光。
目前用于高功率激光装置谐波转换的非线性晶体一般为KDP晶体，一般采用I/II类角度失谐匹配方式。
在宽频带条件下，可选用三晶体方式（即一块倍频晶体，两块混频晶体）。
频率转换器是ICF驱动器的一个重要组成部分，其三倍频转换效率是决定整个驱动装置输出能量的关键。
*靶场系统
靶场系统主要是将三倍频光聚焦并准确注入真空靶球中的黑洞靶腔中并能对靶丸进行三维调整。
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、靶场桁架及支撑系统。
1.2.2ICF物理实验对焦斑形态的要求
对于ICF固体激光驱动器而言，能够提供一个强度足够高、均匀的、干净的辐照场是ICF物理实验对其最基本要求。
在间接驱动中，聚焦光斑中的高频调制会导致成丝效应的产生，由于丝中的光强远高于平均值，从而加强受激拉曼散射（SRS）和受激布里渊散射（SBS）的非线性过程，这不仅会降低激光-X射线的能量转换率，还会产生大量有害的超热电子，提前加热靶丸，影响压缩靶丸的过程。
同时散射光将增加内爆靶丸辐射的不均匀性。
因此，抑制激光与等离子体相互作用过程中的不稳定性是建造间接驱动ICF驱动器的关键物理依据。
为实现这一点，保证聚焦光斑光强分布的均匀性尤为关键。
另外，在间接驱动的惯性约束聚变中，为保证黑洞靶腔内的高温高密度状态，对靶孔的尺寸有严格的限制。
在高强度条件下，激光束在穿孔过程中，光束与靶孔边缘的相互作用激发产生的等离子体将高速向靶孔中心膨胀，形成一道“屏障”，阻碍后续激光进入靶腔。
这种堵口效应是影响激光能量的注入率的主要原因，造成靶腔的等离子体堵口效应的主要原因是激光焦斑旁瓣的存在。
根据星光-I装置堵口实验的结果，不堵口的基本要求是注入孔边缘附近区域的激光功率密度应小于1012W/cm2，而在黑腔壁上的激光功率密度达到1015W/cm2左右。
也就是说，激光聚焦光斑在洞口边沿处的功率密度应比焦斑中心的峰值功率密度低1000多倍。
因此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的注入率的关键。
对于我国研制的ICF驱动装置而言，其为一功率受限型装置，总体输出能量不高。
为了使靶面功率密度达到物理实验的要求，靶丸的尺寸很小，黑腔的注入口也很小，要将多束激光同时注入靶腔内，对光束聚焦的要求就非常高，一方面要求焦斑中心分布尽可能均匀，同时要求焦斑旁瓣要低于一定的阈值，而且受靶腔注入口的限制，对聚焦光斑的尺寸有严格的要求。
聚焦光斑的光强分布对物理实验成功致关重要。
就目前而言，由于物理实验的目的各不相同，对聚焦光斑的空间分布形态的要求也各有侧重，但总的说来有以下几点。
*形状：
靶腔入射孔的形状决定焦斑的形状，一般情况下，靶腔入射孔为圆形，考虑到多束激光穿孔，激光束将从不同的角度进入靶室，光束在靶腔入射孔的平面上的投影为椭圆，因此焦斑的基本形状为一椭圆。
（见图1-4）对于不同入射角的光束，其椭圆焦斑的长轴各不相同。
同时，原来的“薄形”靶孔等效于“厚形”靶孔。
这使得实际靶孔减小，增加了对光束控制以及打靶精度的要求。
这一方面限制了光束注入率，同时限定了靶面激光功率密度。
*尺寸：
椭圆焦斑的尺寸同样取决于靶腔入射孔的尺寸，同时必须考虑多路激光束对入射孔对准精度的宽容度，因此椭圆焦斑应小于靶孔。
靶腔
*轮廓：
一般认为，为满足惯性约束聚变的物理要求，理想焦斑的光强分布轮廓应为平顶、陡边、无旁瓣和无高频调制。
图1-4间接驱动光束注入示意图
上述要求只是对焦斑形态的一个定性描述，物理实验上尚未给出明确的定量的要求。
许多技术指标需要进一步细化和量化。
随着物理目标以及驱动器的设计参数和结构不同，物理实验对焦斑的要求也各不相同。
美国国家点火装置（NIF）以实现点火为首选目标（高增益）进行优化设计（即以总体输出1.8MJ/5ns为优化目标），同时兼顾其他物理要求,。
美国NIF间接驱动时设计的峰值功率为500TW，每束2.6TW，焦斑最大容许尺寸为500m×
1000m（直径）的椭圆大小。
因此平均光强为I0=2.6TW/（250m）（500m）=6.5×
1014W/cm2。
考虑到光束中的一些线性和非线性因素，焦斑光强不可能呈完全陡边平顶分布而是有一定的下降边沿。
因此最后NIF对焦斑的具体要求归纳为：
焦斑形状为一椭圆，大小为1000m×
1400m，其中在500m×
1000m椭圆范围内光强呈均匀分布。
设椭圆内平均光强为I0，则在600m×
1200m椭圆范围外，光强小于3%I0，在1000m×
1400m椭圆范围外，光强小于1%I0。
见图1-5。
我国神光-Ⅲ原型装置概念设计报告中确定了“1ns，3，1KJ/束，小焦斑进洞”为总体设计目标，这一目标确定了原型装置为功率受限型装置，对焦斑提出了对Ф960μm靶腔注入孔，控制激光束Φ180μm焦斑能量集中度大于95％的要求。
“小焦斑进洞”意味着焦斑进洞的难度将比NIF苛刻得多。
过渡区600×
1200um<
3%I0
图1-5NIF焦斑要求示意图
1.3强激光束聚焦特性研究的意义
从上述分析可知，激光束聚焦后光斑的光强分布能否达到物理实验的要求，直接关系着物理实验的成败。
从目前研究现状来看，对焦斑光强分布的描述多以能量集中度来描述，它指一定激光脉冲能量所对应的光束发散角（rad）。
主要考虑占激光脉冲总能量50%、80%和95%对应的光束发散角。
这仅仅是从能量传递的观点对焦斑提要求，没有涉及焦斑实际的空间光强分布。
无法反映多元件光学系统光束质量与元件质量的统计关系。
由于无法给出焦斑旁瓣分布的描述，因此，光束发散角也不能作为焦斑是否穿洞的判据，也无法判断焦斑空间光强分布的均匀性是否符合物理实验的要求。
目前还没有满意的理论工具来建立合适的技术指标定量地描述焦斑旁瓣分布。
加强这方面的研究，以便全面定量地描述光束质量是非常必要的。
在目前国内尚未见到开展这方面工作的报道。
光束的波前畸变在高功率激光系统中的传输变化是影响焦斑尺寸和分布的关键因素。
结合物理实验的需求，寻找近场光束波前的合理描述方法，针对ICF驱动器终端聚焦光学系统的结构，建立合理的终端聚焦光学系统光传输模型，开展近场光束质量与远场焦斑的分布的对应关系的研究，可为获得满足进洞要求的聚焦光斑的控制方案提供参考依据，提出满足物理需求的光束质量总体要求，可为驱动器设计的总体技术指标提供参考。
同时合适的波前描述参数可为定量分析光束在传输过程中的一些非线性效应引起的光束质量变化带来方便。
1.4本文的主要内容
本论文以我国大型高功率固体激光器的发展为依托，针对ICF物理实验的要求，在国内首先对ICF驱动器中强激光束聚焦特性进行系统的研究，取得了一定的进展。
本课题的研究得到了863-416国家高技术基金、中国工程物理研究院院外基金、中国科学院微细加工光学技术国家重点实验室基金等项目的资助。
由于ICF驱动系统的复杂性，同时在高功率条件下，光和物质相互作用所表现出来一些非线性过程所包含物理实质尚未完全明朗。
开展强激光束聚焦特性的研究工作本身具有很大的难度。
本论文的工作作为强激光聚焦特性研究的起步，围绕着为满足物理实验要求的强激光束聚焦特性做了如下探讨：
第一章：
引言在这章里，着重介绍了惯性约束聚变的一般概念，对惯性约束聚变的发展作了简要的叙述，并介绍了激光惯性约束聚变驱动器的组成结构。
从中引出其中的关键技术并对ICF驱动器的技术难点进行分析，由此引出本论文的研究意义并对本论文的主要内容和安排做了介绍。
第二章：
强激光光束波前畸变源的分析本章针对ICF驱动器的结构特点，系统分析了影响强激光束质量的主要因素，指出光束波前畸变是影响最终焦斑形态的主要原因。
并对现有的焦斑形态控制方法进行总结和分析。
第三章：
光传输计算理论及程序实现本章通过对现有的光传输理论进行总结分析，基于分数傅立叶变换快速算法，研究了快速傅立叶变换的改进算法，提出变采样间距和变采样点的线性光传输计算方法。
并验证了其方法的正确性。
第四章：
强激光束波前畸变模型这章是本论文的重点。
在本章里，基于傅立叶分析的方法，针对低高频位相噪声对焦斑分布的影响各不相同的特点，分别引入位相梯度均方根值（RMSofphasegradient）和功率谱密度（PowerSpectralDensity，PSD）两个概念，对于低高频的位相噪声建立相应的合理物理模型。
对具有畸变波前的激光束聚焦后的光强分布进行了模拟计算，得到波前畸变与远场焦斑光强分布关系的一般规律；
首次提出并研究了基于G-S算法的PSD波前恢复算法。
第五章：
激光束近场波前测量方法本章首先对现有的高功率激光波前测量方法进行了分析，在此基础上，选择了三平板径向剪切干涉法作为ICF驱动器激光束波前检测的方法，对其中干涉条纹的记录和波前重构技术进行了研究，结合现有的YAG固体激光器及频率转换系统，针对三倍频光，设计制作了相应的波前检测系统。
第六章：
实现谐波分离的色分离光栅作为一种新型的光学元件，衍射光学元件在ICF系统中有着极强的应用潜力。
本章对ICF驱动器中的一种实现谐波分离的色分离光栅的分光原理进行分析，制作了该元件并进行实验研究；
分析了CSG对制作误差的宽容度；
为这种元件的制作从实验上提供指导。
在第四章的基础上，针对衍射光学元件对激光束波前畸扰动敏感的特点，研究了色分离光栅对光束波前扰动的宽容度，为这种元件在ICF系统中的应用提供理论依据。
第七章：
总结对本论文的工作进行总结。
参考文献
升级会员 