基于晶體拼接的會(huì)聚光束三倍頻關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、慣性約束核聚變(Inertial confinement fusion，ICF)技術(shù)是未來(lái)獲得可靠清潔能源的方法之一，因此當(dāng)前世界上多個(gè)國(guó)家都在發(fā)展自己的ICF裝置。在傳統(tǒng)的ICF激光驅(qū)動(dòng)器中，實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換的非線性晶體一般用大口徑的KDP/DKDP晶體。基頻光經(jīng)倍頻晶體和和頻晶體之后，采用熔石英聚焦透鏡將紫外激光聚焦至靶面，最終實(shí)現(xiàn)激光點(diǎn)火。在這一過(guò)程中，熔石英透鏡易受紫外激光損傷的問(wèn)題是限制ICF激光驅(qū)動(dòng)器負(fù)載能力提升的一個(gè)重要因素。

2、
　　當(dāng)前ICF工程應(yīng)用中熔石英透鏡易受紫外激光輻照損傷，目前提高透鏡損傷閾值的應(yīng)對(duì)措施主要有兩種，分別是提高透鏡的熔煉加工質(zhì)量和采用激光預(yù)處理技術(shù)對(duì)透鏡進(jìn)行預(yù)處理，但兩種方法的提升幅度都有限，仍舊不能滿足工程指標(biāo)的需求。本文針對(duì)該問(wèn)題提出了一個(gè)新的三倍頻構(gòu)型方案。基頻激光經(jīng)倍頻晶體之后所得的倍頻光和剩余基頻激光首先經(jīng)過(guò)聚焦透鏡，三倍頻晶體放置在透鏡的聚焦光路上，使倍頻光和剩余的基頻光在光束的會(huì)聚過(guò)程中實(shí)現(xiàn)激光和頻。三倍頻過(guò)程產(chǎn)生

3、的紫外激光可以自動(dòng)聚焦至靶面，進(jìn)而誘導(dǎo)核聚變反應(yīng)實(shí)現(xiàn)激光點(diǎn)火。相比于KDP/DKDP晶體，三倍頻晶體采用非線性系數(shù)更大、損傷閩值更高、接受角更大的LBO晶體。為滿足會(huì)聚光束入射時(shí)相位匹配條件的要求，LBO晶體采用多塊拼接的方案。如果拼接晶體的切割方向完全相同，在拼接時(shí)相互之間就必須有一定的夾角，在夾持時(shí)受力方向不同，加持難度大。因此在應(yīng)用中拼接LBO晶體之間設(shè)計(jì)成不同的切割角度。該構(gòu)型不僅能有效地規(guī)避熔石英透鏡的紫外激光輻照，提高ICF

4、系統(tǒng)中激光驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載能力，而且能突破LBO晶體的口徑受限問(wèn)題，拓寬ICF實(shí)際工程應(yīng)用中的主材選擇范圍。
　　本文在理論分析的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用中利用拼接晶體實(shí)現(xiàn)會(huì)聚光束三倍頻的方案進(jìn)行了計(jì)算模擬，并用小口徑激光進(jìn)行了原理性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的可行性。針對(duì)中等口徑的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)也進(jìn)行了計(jì)算模擬。具體內(nèi)容如下:
　　(1)對(duì)ICF激光驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，國(guó)外主要以美國(guó)的國(guó)家點(diǎn)火裝置(National Ignition Fac

5、ility, NIF)為代表，國(guó)內(nèi)以“神光”裝置為代表。當(dāng)前的實(shí)際工程應(yīng)用中，聚焦透鏡一旦受到紫外激光輻照損傷就需要進(jìn)行更換，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且成本高。對(duì)國(guó)內(nèi)外的晶體拼接研究技術(shù)，以及利用會(huì)聚光束實(shí)現(xiàn)激光頻率轉(zhuǎn)換的研究進(jìn)展進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，尤其是非臨界相位匹配技術(shù)以及非共線相位匹配技術(shù)中，對(duì)非線性晶體的接受角要求較小，光束可以實(shí)現(xiàn)先會(huì)聚再進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換，但卻需要非共線調(diào)整或溫度控制。
　　(2)對(duì)非線性光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換過(guò)程以及相位匹配技術(shù)進(jìn)

6、行了理論分析。詳細(xì)介紹了介質(zhì)的非線性極化過(guò)程、光學(xué)三波耦合過(guò)程以及單軸晶體的相位匹配技術(shù)，并討論了會(huì)聚光束在空間中的光場(chǎng)傳輸。對(duì)非線性光學(xué)晶體材料的性質(zhì)進(jìn)行了討論，并針對(duì)本文用到的KDP晶體和LBO晶體的性質(zhì)進(jìn)行了全面的詳細(xì)介紹。
　　(3)對(duì)ICF工程應(yīng)用中（功率密度為4 GW/cm2）的激光二倍頻和三倍頻轉(zhuǎn)換過(guò)程進(jìn)行了理論計(jì)算分析。利用龍哥庫(kù)塔法求解耦合波方程，采用Ⅰ類(lèi)相位匹配的KDP晶體倍頻，Ⅱ類(lèi)相位匹配的LBO晶體和頻，忽

7、略LBO晶體的非線性吸收效應(yīng)、能量損耗以及走離效應(yīng)的影響等，計(jì)算分析得到二倍頻及三倍頻的激光光強(qiáng)、轉(zhuǎn)換效率等理論參數(shù)。提出了利用拼接晶體實(shí)現(xiàn)會(huì)聚光三倍頻這一新構(gòu)型，對(duì)此進(jìn)行了理論計(jì)算分析并提出了晶體拼接設(shè)計(jì)方案以及拼接晶體的加持方案。
　　(4)利用光斑直徑為9 mm的小口徑光束對(duì)會(huì)聚光束三倍頻進(jìn)行了原理性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了該方案的可行性。進(jìn)行了3塊LBO晶體以及7塊LBO晶體的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，拼接LBO晶體采用不同的切割角度，以滿足大入

8、射角(36 mrad)相位匹配的要求。并且進(jìn)行了LBO晶體平行光束三倍頻以及會(huì)聚光束三倍頻的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。原理性實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了采用拼接晶體實(shí)現(xiàn)大口徑會(huì)聚光束三倍頻的可行性。
　　(5)對(duì)下一步進(jìn)行的中等口徑會(huì)聚光束三倍頻進(jìn)行理論計(jì)算研究。結(jié)果表明，基頻激光的峰值功率越高，三倍頻轉(zhuǎn)換效率越高;LBO晶體的拼接塊數(shù)越多，三倍頻轉(zhuǎn)換效率越高，越接近平行光束入射時(shí)的轉(zhuǎn)換效率。下一步的工作中繼續(xù)進(jìn)行中等口徑會(huì)聚光束三倍頻的實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)一步通過(guò)實(shí)驗(yàn)