百千焦耳裝置集束驗(yàn)證平臺(tái)的背向散射光診斷系統(tǒng)

陳銘 徐濤 劉永剛 劉欣城

摘? 要：為在百千焦耳裝置集束驗(yàn)證平臺(tái)上開(kāi)展LPI實(shí)驗(yàn)研究，建設(shè)了基于集束模式的散射光診斷系統(tǒng)。該診斷系統(tǒng)使用大口徑漫反射板作為主要攔光、反射、取樣元部件，利用成像方式將漫反射板分別成像至門(mén)控相機(jī)等記錄部件，采取取樣測(cè)量方式得到散射光空間分布、能量大小及光譜等參量。在集束首輪物理實(shí)驗(yàn)中，該系統(tǒng)獲得了較完備的物理數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：散射光? 漫反射板? 成像? 幾何光學(xué)

Abstract： For the sake of carrying out the laser plasma interaction （LPI） experimental research on the cluster testing platform of the hundred kilojoule laser facility， a backscattered light diagnostic system based on the cluster mode is constructed. The diagnostic system uses several large aperture diffuse plates as the main light blocking， reflecting and sampling components. The diffuse plates are then imaged to the gating camera and other recording components by imaging the integral data in a proper gate time. The spatial distribution， energy and spectrum of backscattered light are obtained by sampling measurement. In the first round of cluster physics experiment， the system has obtained relatively complete physical data.

Key Words： Backscattered light; Diffuse plate; Imaging; Geometric optics

為實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火，用于慣性約束聚變研究（ICF）的激光裝置需要兆焦耳級(jí)的輸出能量。在單個(gè)子束負(fù)載能力有限的情況下，需要多個(gè)子束聯(lián)合成集束并共用終端聚焦的方式進(jìn)行激光注入和打靶，這是包括美國(guó)NIF和法國(guó)LMJ裝置共同的特點(diǎn)[1-3]。

現(xiàn)階段中國(guó)百千焦耳激光裝置已建成集束設(shè)計(jì)打靶驗(yàn)證平臺(tái)。由于集束打靶區(qū)別于現(xiàn)有激光裝置的幾何光學(xué)排布，有必要開(kāi)展相應(yīng)的激光等離子體相互作用（LPI）實(shí)驗(yàn)研究，特別是散射光性質(zhì)的研究。這類(lèi)散射光來(lái)源于激光與金腔、充氣氣體區(qū)及靶丸殼層飛散等離子體的相互作用[4]，會(huì)造成激光能量耗散、預(yù)熱內(nèi)爆靶丸、破壞輻射場(chǎng)對(duì)稱(chēng)性等負(fù)面問(wèn)題，需加以控制[5-6]。LPI研究中，必須對(duì)不同裝置建設(shè)相應(yīng)的散射光診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)散射光能量大小、光譜性質(zhì)等物理參量的測(cè)量，給數(shù)值模擬計(jì)算程序提供準(zhǔn)確的LPI基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，便于開(kāi)展點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[7-8]。

該文介紹了集束驗(yàn)證平臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)，闡述了散射光診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和具體構(gòu)成，并給出了集束平臺(tái)首輪LPI實(shí)驗(yàn)的散射光測(cè)量結(jié)果。

1? 集束平臺(tái)簡(jiǎn)介

集束平臺(tái)使用了100 kJ激光裝置的A1束組作為激光輸入，8個(gè)子束合而為一。平臺(tái)利用新的光學(xué)傳遞反射鏡組及聚焦終端光學(xué)組件，將基頻激光（波長(zhǎng)1 053 nm）經(jīng)過(guò)傳輸反射鏡的反射后導(dǎo)入集束的靶場(chǎng)中，經(jīng)過(guò)編組后形成“九宮格”的排列，具體見(jiàn)圖1。各子束激光陣列進(jìn)入同一終端光學(xué)組件，其中包含有使激光倍頻成3倍頻（波長(zhǎng)為351 nm）的激光晶體和取樣光柵等光學(xué)元件，最后經(jīng)由8塊楔形打靶透鏡將不同子束的激光會(huì)聚至真空靶室中心。剩余的基頻和二倍頻激光的焦點(diǎn)則偏離靶室中心，并繼續(xù)向后傳輸直至被較遠(yuǎn)處的吸收陣列吸收。打靶透鏡有效通光口徑為360 mm×360 mm，焦距為12 m，采用連續(xù)相位板（CPP）勻滑后聚焦光斑直徑為700 μm，單子束能量為3 750 J/3 ns。子束的光束狀態(tài)單獨(dú)可調(diào)整，包括聚焦光斑位置、部分束勻滑方式等。

2? 散射光診斷系統(tǒng)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

中國(guó)100 kJ激光裝置配備的散射光診斷系統(tǒng)使用金屬大口徑反射鏡反射并會(huì)聚散射光（包括近背向和全孔徑背向）的光路設(shè)計(jì)[9]。由于金屬反射鏡損傷閾值較低且整體光路龐大，該設(shè)計(jì)在集束模式下不再適用。為此我們研制了一個(gè)基于朗伯漫反射板的新散射光診斷系統(tǒng)，用于研究背向傳播的受激布里淵散射（SBS，光譜范圍（351±2）nm）和受激拉曼散射（SRS，光譜范圍400～700 nm）。系統(tǒng)采用成像測(cè)量方式記錄散射光空間分布圖像，利用圖像強(qiáng)度間接給出散射光的能量;采用取樣測(cè)量方式，測(cè)量散射光光譜信息。

由于散射光為激光傳輸?shù)谋诚騻鞑ィ瑸椴蛔钃鹾透蓴_打靶激光，散射光診斷分為測(cè)量激光光束口徑外的近背向散射光診斷系統(tǒng)和激光光束口徑內(nèi)的全孔徑背向散射光診斷系統(tǒng)。由于采用集束打靶模式，子束光束間也存在部分散射光，因此按照各自測(cè)量目標(biāo)和功能劃分，集束散射光診斷系統(tǒng)增加為3個(gè)分系統(tǒng)：位于1.2 m直徑靶室內(nèi)部的近背向散射光診斷分系統(tǒng)1號(hào)（NBS1），用于測(cè)量集束光束口徑外的散射光;位于真空連接錐桶段內(nèi)的近背向散射光診斷分系統(tǒng)2號(hào)（NBS2），用于測(cè)量子束間的散射光;位于激光器傳輸反射鏡后的全孔徑背向散射光診斷分系統(tǒng)（FABS），用于測(cè)量子束光束內(nèi)部的散射光。

每個(gè)子系統(tǒng)均采用一塊特別形狀的平面漫反射板攔截并反射散射光，該板采用labsphere公司的Spectralon反射標(biāo)準(zhǔn)板，SBS及SRS波段內(nèi)反射率≥99%，有效損傷閾值預(yù)估為3 J/cm2。