基于晶體拼接的會聚光束三倍頻關鍵技術研究.pdf

1、慣性約束核聚變(Inertial confinement fusion，ICF)技術是未來獲得可靠清潔能源的方法之一，因此當前世界上多個國家都在發(fā)展自己的ICF裝置。在傳統的ICF激光驅動器中，實現頻率轉換的非線性晶體一般用大口徑的KDP/DKDP晶體?；l光經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，最終實現激光點火。在這一過程中，熔石英透鏡易受紫外激光損傷的問題是限制ICF激光驅動器負載能力提升的一個重要因素。

2、
　　當前ICF工程應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對措施主要有兩種，分別是提高透鏡的熔煉加工質量和采用激光預處理技術對透鏡進行預處理，但兩種方法的提升幅度都有限，仍舊不能滿足工程指標的需求。本文針對該問題提出了一個新的三倍頻構型方案。基頻激光經倍頻晶體之后所得的倍頻光和剩余基頻激光首先經過聚焦透鏡，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聚過程中實現激光和頻。三倍頻過程產生

3、的紫外激光可以自動聚焦至靶面，進而誘導核聚變反應實現激光點火。相比于KDP/DKDP晶體，三倍頻晶體采用非線性系數更大、損傷閩值更高、接受角更大的LBO晶體。為滿足會聚光束入射時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，在拼接時相互之間就必須有一定的夾角，在夾持時受力方向不同，加持難度大。因此在應用中拼接LBO晶體之間設計成不同的切割角度。該構型不僅能有效地規(guī)避熔石英透鏡的紫外激光輻照，提高ICF

4、系統中激光驅動器的負載能力，而且能突破LBO晶體的口徑受限問題，拓寬ICF實際工程應用中的主材選擇范圍。
　　本文在理論分析的基礎上，對實際工程應用中利用拼接晶體實現會聚光束三倍頻的方案進行了計算模擬，并用小口徑激光進行了原理性驗證實驗驗證了該方案的可行性。針對中等口徑的驗證實驗也進行了計算模擬。具體內容如下:
　　(1)對ICF激光驅動器進行簡要介紹，國外主要以美國的國家點火裝置(National Ignition Fac

5、ility, NIF)為代表，國內以“神光”裝置為代表。當前的實際工程應用中，聚焦透鏡一旦受到紫外激光輻照損傷就需要進行更換，不僅費時費力，而且成本高。對國內外的晶體拼接研究技術，以及利用會聚光束實現激光頻率轉換的研究進展進行簡要介紹，尤其是非臨界相位匹配技術以及非共線相位匹配技術中，對非線性晶體的接受角要求較小，光束可以實現先會聚再進行頻率轉換，但卻需要非共線調整或溫度控制。
　　(2)對非線性光學頻率轉換過程以及相位匹配技術進

6、行了理論分析。詳細介紹了介質的非線性極化過程、光學三波耦合過程以及單軸晶體的相位匹配技術，并討論了會聚光束在空間中的光場傳輸。對非線性光學晶體材料的性質進行了討論，并針對本文用到的KDP晶體和LBO晶體的性質進行了全面的詳細介紹。
　　(3)對ICF工程應用中（功率密度為4 GW/cm2）的激光二倍頻和三倍頻轉換過程進行了理論計算分析。利用龍哥庫塔法求解耦合波方程，采用Ⅰ類相位匹配的KDP晶體倍頻，Ⅱ類相位匹配的LBO晶體和頻，忽

7、略LBO晶體的非線性吸收效應、能量損耗以及走離效應的影響等，計算分析得到二倍頻及三倍頻的激光光強、轉換效率等理論參數。提出了利用拼接晶體實現會聚光三倍頻這一新構型，對此進行了理論計算分析并提出了晶體拼接設計方案以及拼接晶體的加持方案。
　　(4)利用光斑直徑為9 mm的小口徑光束對會聚光束三倍頻進行了原理性驗證實驗，證實了該方案的可行性。進行了3塊LBO晶體以及7塊LBO晶體的對比實驗，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。并且進行了LBO晶體平行光束三倍頻以及會聚光束三倍頻的對比實驗。原理性實驗也驗證了采用拼接晶體實現大口徑會聚光束三倍頻的可行性。
　　(5)對下一步進行的中等口徑會聚光束三倍頻進行理論計算研究。結果表明，基頻激光的峰值功率越高，三倍頻轉換效率越高;LBO晶體的拼接塊數越多，三倍頻轉換效率越高，越接近平行光束入射時的轉換效率。下一步的工作中繼續(xù)進行中等口徑會聚光束三倍頻的實驗研究，進一步通過實驗