新型点火方式下高功率束匀滑激光的穿孔特性研究

In experiments designed for indirect drive in inertial confinement fusion (ICF), High energy laser beams need to propagate through hohlraum target laser entrance hole (LEH) and proceed toward the hohlraums’s interior walls. The propagation is connected with the size of LEH and the laser focal spot property closely. In the background of the pause of The National Ignition Campaign (NIC), some new ignition modes are proposed in our country, whose LEHs size is more critical. Beam smoothing techniques are necessary to suppress Laser-plasma instabilities (LPI), but it makes the laser entrances’ propagation more complex for its larger and motional spot. In this project, four aspects will be researched. First, the high power smoothed laser spot’s spatial character will be analyzed to obtain the main influencing factor of focal spot wings. Second, the conditions of laser exciting plasma from hole will be experimented to obtain the influence laws of laser energy injection efficiency response with pulse shape and LEH size. Third, the laser dispersion property in the “blow-off” plasma from hole will be simulated and proved by experiments. Fourth, the image of multi-beams propagating through LEH at the same time will be explored to obtain the superposed method of multi-beams. The results are synthesized to create a model that high power smoothed laser propagates through LEH, the model will be proved on SG-Ⅲ prototype facility. This project will promote the development of ICF techniques that it is not only providing the laser boundary condition of precise hohlraum experiments, but also support the construction of high power laser facility in future.

在美国国家点火装置点火工程受阻的背景下，我国研究人员提出了多种新型的点火方式，它们对黑腔洞口尺寸提出了更高的要求；束匀滑技术是抑制激光等离子作用的必要手段，束匀滑焦斑的大尺寸和动态性质进一步让新需求下的穿孔特性变得复杂。本项目拟从研究高功率激光束匀滑焦斑的空间分布特性出发，明确影响束匀滑焦斑旁瓣的主要激光参数；实验研究各种束匀滑条件下激光激发靶孔等离子的条件，获得在等离子喷射条件下穿孔率与脉冲波形、靶孔大小之间的规律；分析激光在喷射等离子中的色散性质，并设计实验验证；研究多束激光并穿靶孔的图像，提出并穿条件下的光束叠加的方法；综合以上研究，建立高功率激光束匀滑条件下的穿孔模型，模型将在神光-Ⅲ原型装置上进行验证。该项目的研究不仅可为精密黑腔实验的开展提供激光边界条件，也可据此设计新型物理实验，同时为未来高功率激光器的设计和建设提供技术支撑，对促进ICF技术的发展具有重要的意义。

惯性约束聚变间接驱动要求高功率激光能够有效通过黑腔注入口并传输至黑腔内壁。在美国国家点火装置的实验受阻的背景下，我国研究人员提出了多种新型的点火方式，它们对黑腔注入口尺寸提出了更高的要求；束匀滑技术是抑制激光等离子体效应的必要手段，束匀滑焦斑的大尺寸和动态性质进一步让新需求下的穿孔特性变得复杂。高功率激光穿孔的物理机制如下：激光焦斑旁瓣与孔外的靶材料相互作用激发等离子体，等离子体向靶孔中心高速膨胀，影响后续激光的过孔传输。围绕该物理过程逐层发展的关系和前期研究中碰到的难点，本项目系统研究了高功率激光束匀滑条件下焦斑空间分布特性，明确了注入孔附近的焦斑强度为焦斑旁瓣，主要来源于光学元件中高频畸变和高功率条件下光束传输的非线性增长，通过纹影法测量了光束旁瓣的量化数据。基于激光穿孔的物理过程建立了激光穿孔的物理模型，可准确地描述激光穿孔后的传输行为。基于大小焦斑混合的模式建立了激光穿孔的实验研究平台，并通过实验验证了穿孔模型所预期的各种现象，获得了等离子体喷射速度与靶材料和激光功率密度的关系，明确了激光穿孔率与脉冲波形、靶材料之间的规律。理论和实验数据均证明了传统穿孔率测试方法不能准确表征过孔效率的弊端，通过对实验数据的统计分析建立了一种通过辐射流或针孔相机图像来代替能量卡计诊断激光穿孔率的方法。最后溯源至物理需求，提出了注入口和焦斑尺寸精确匹配的设计方法，为新型点火方式的物理设计提供了重要依据。该项目的研究不仅可为精密黑腔实验的开展提供激光边界条件，也同时为未来高功率激光器的设计和建设提供技术支撑，对促进ICF技术的发展具有重要的意义。