基于多子束拍頻疊加的集束偏振動(dòng)態(tài)調(diào)控技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN241 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-8395（2025）05-0622-15

doi：10.3969/j.issn.1001-8395.2025.05.003

1前言

以美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置（nationalignitionfacility，NIF）為代表的慣性約束聚變（inertialconfinementfusion，ICF）研究經(jīng)過(guò)數(shù)十年的努力取得了巨大進(jìn)展.NIF裝置自2022年12月5日以來(lái)多次獲得了超過(guò)注入靶腔激光總能量的聚變能，但還需要大幅提高聚變產(chǎn)出以實(shí)現(xiàn)ICF裝置能量利用的終極目標(biāo)[1-4].激光等離子體不穩(wěn)定性（laser plasma insta-bilities，LPIs）是制約聚變輸出能量提升的關(guān)鍵問(wèn)題之一，包括受激拉曼散射（stimulatedramanscatter-ing，SRS）、受激布里淵散射（stimulatedbrillouinscattering，SBS）交換束能量轉(zhuǎn)移（cross-beamener-gy transfer，CBET）、雙等離子體衰變（twoplasmondecay，TPD）等.LPIs對(duì)于聚變點(diǎn)火的不利影響包括：以散射光形式從腔內(nèi)逸出，造成能力損失、散射光逆光路傳輸損壞元件、產(chǎn)生熱電子預(yù)熱靶丸、破壞靶丸壓縮對(duì)稱(chēng)性等[5-9].目前，NIF裝置通過(guò)降低靶腔氣體密度，并結(jié)合內(nèi)外環(huán)集束的脈沖設(shè)計(jì)以及對(duì)制靶缺陷的優(yōu)化，使得背向散射得到有效抑制[10-13].然而，激光聚變輸出能量的大幅度提高仍面臨LPIs問(wèn)題的巨大挑戰(zhàn)，如進(jìn)一步提升聚變產(chǎn)能，則要求腔內(nèi)氣體密度繼續(xù)提高，以及激光脈沖時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，不可避免地會(huì)導(dǎo)致受激散射水平的持續(xù)增長(zhǎng)[14-15].

LPIs過(guò)程不僅與入射光場(chǎng)強(qiáng)度直接相關(guān)，而且還需要滿(mǎn)足波矢匹配條件.因此，通過(guò)對(duì)靶面光場(chǎng)進(jìn)行調(diào)控，破壞LPIs效應(yīng)的波矢匹配條件，是抑制LPIs增長(zhǎng)的有效手段.為此，以美國(guó)NIF裝置[16]OMEGA裝置[17]、法國(guó)兆焦耳裝置（lasermégajoulefacility，LMJ）[18]和中國(guó)神光系列裝置[19]、“昆吾”裝置[20]為代表的ICF裝置，要求裝置不僅輸出足夠高的驅(qū)動(dòng)能量和功率，同時(shí)還必須具有時(shí)域、頻域、空域、偏振等多維度的光束精密調(diào)控能力，以滿(mǎn)足點(diǎn)火過(guò)程的精密調(diào)控需求.目前，以NIF為代表的ICF裝置均采用了光譜色散勻滑技術(shù)（smoothingbyspectral dispersion，SSD）與連續(xù)相位板（continu-ousphaseplate，CPP）以及偏振勻滑（polarizationsmoothing，PS）聯(lián)用的主流靶面光場(chǎng)調(diào)控方案.SSD的基本原理是采用電光調(diào)制器使激光脈沖附加時(shí)間位相調(diào)制，進(jìn)而利用光柵引入色散，從而實(shí)現(xiàn)靶面光場(chǎng)的快速掃動(dòng)[21-22].然而，受限于電光調(diào)制器帶寬以及高效率三倍頻的需求，SSD難以實(shí)現(xiàn)抑制LPIs 所需的光束帶寬和足夠短的勻滑時(shí)間[23-24].利用偏振動(dòng)態(tài)調(diào)控技術(shù)可有效降低受激散射水平，如偏振旋轉(zhuǎn)[25]、偏振態(tài)快速切換[26]、交替偏振[27]等.理論研究表明，相比于偏振態(tài)保持恒定的光場(chǎng)，偏振動(dòng)態(tài)調(diào)控光場(chǎng)有望使背反水平降低超過(guò)一個(gè)數(shù)量級(jí)[25-7].其機(jī)理在于，只有與人射激光偏振相同的SRS、SBS種子噪聲的偏振分量才能得到有效放大，而動(dòng)態(tài)偏振的引入，使得靶面光場(chǎng)偏振變化速率與受激散射的增長(zhǎng)率（通常為皮秒、亞皮秒量級(jí)）相當(dāng)或者略快，從而可縮短入射激光與散射光的有效作用長(zhǎng)度，最終使總背反水平明顯降低[25].然而，目前ICF裝置的靶面光場(chǎng)偏振分布往往趨于一致，且不隨時(shí)間發(fā)生變化[16]，如何獲取所需的偏振動(dòng)態(tài)調(diào)控光場(chǎng)的相關(guān)研究仍處于起步階段.此外，寬帶光亦被充分證明可有效抑制LPIs，且要求其相對(duì)帶寬 Δω/ω 在 1% 以上[28]，但在現(xiàn)有的高功率激光裝置中，因其受限于高效三倍頻而難以實(shí)現(xiàn)[29].因此，瞄準(zhǔn)現(xiàn)有高功率激光裝置對(duì)更大光源帶寬、快速偏振調(diào)控的迫切需求，尋求新型光場(chǎng)精密調(diào)控手段，以充分抑制背向受激散射極為重要.

在高功率激光裝置中，由于光學(xué)元件眾多、光路極其復(fù)雜，傳統(tǒng)靶面光場(chǎng)調(diào)控技術(shù)大多側(cè)重于針對(duì)單一子束[16]，致使集束內(nèi)不同子束的聯(lián)合調(diào)控不足，其綜合調(diào)控潛力尚未得到充分挖掘.而以NIF為代表的集束打靶裝置采用了多子束聚焦重疊的打靶方案，因而存在利用子束聯(lián)合調(diào)控實(shí)現(xiàn)集束靶面光場(chǎng)性能提升的巨大潛力.針對(duì)現(xiàn)有高功率激光裝置對(duì)更大光源帶寬、快速偏振調(diào)控的迫切需求，本文開(kāi)展了多種基于多子束疊加的集束偏振動(dòng)態(tài)調(diào)控技術(shù)，其核心思想是：基于現(xiàn)有高功率激光裝置，通過(guò)對(duì)激光集束中多子束的位相譜、頻譜以及偏振態(tài)的精密調(diào)控，利用其在靶面的疊加實(shí)現(xiàn)對(duì)靶面光場(chǎng)偏振的動(dòng)態(tài)調(diào)控，以充分挖掘和運(yùn)用集束精密調(diào)控的潛力，提升對(duì)LPIs的抑制效果.

本文著眼于利用集束中子束的多參量聯(lián)合調(diào)控實(shí)現(xiàn)靶面光場(chǎng)皮秒、亞皮秒量級(jí)的偏振動(dòng)態(tài)調(diào)控，針對(duì)不同高功率激光裝置體制，提出了三類(lèi)靶面光場(chǎng)偏振動(dòng)態(tài)調(diào)控技術(shù)：基于動(dòng)態(tài)位相調(diào)制子束疊加的互補(bǔ)型光譜角色散位相調(diào)制偏振動(dòng)態(tài)調(diào)控技術(shù)（dynamic polarization by counter-SSD phasemodulation，DPCS）和反向旋轉(zhuǎn)位相調(diào)制偏振動(dòng)態(tài)調(diào)控技術(shù)（dynamic polarization by counter-rotatingphasemodulation，DPCR）、基于非同源光譜非相干寬帶（spectral incoherentbroadbandlaser，SIBL）子束疊加技術(shù)，以及基于多色子束疊加的多色光譜非相干寬帶（multi-colorspectral incoherent，MCSI）子束疊加技術(shù)和多色時(shí)間位相調(diào)制（multi-colorfrequen-cy-modulated，MCFM）子束疊加技術(shù).在建立基于多子束疊加效應(yīng)的集束偏振動(dòng)態(tài)調(diào)控技術(shù)的物理模型的基礎(chǔ)上，介紹所提出多種偏振動(dòng)態(tài)調(diào)控技術(shù)的基本原理，并重點(diǎn)分析和比較所提出方案的靶面光場(chǎng)調(diào)控性能和動(dòng)態(tài)變化特性.

2方案原理和理論模型

圖1給出基于多子束疊加的集束偏振動(dòng)態(tài)調(diào)控技術(shù)的基本原理示意圖

頻譜（相位譜）調(diào)制子束

如圖1所示，集束中每一子束非共軸傳輸相繼經(jīng)過(guò)放大、倍頻單元后，利用CPP陣列和偏振控制板（polarizationcontrolplate，PCP）陣列進(jìn)行獨(dú)立的空間整形和偏振調(diào)控，最后由楔形透鏡陣列聚焦到靶面.通過(guò)采用離軸楔形透鏡陣列，并結(jié)合子束光軸角度控制，將激光集束聚焦到靶面，并實(shí)現(xiàn)集束中各子束焦斑的重疊.在該方案中，集束中的各子束在前端進(jìn)行獨(dú)立的光譜或位相調(diào)制，使得子束存在相位譜或頻譜上的差異.利用相位譜或頻譜存在差異且偏振正交的子?xùn)|在靶面疊加，即可獲得靶面光場(chǎng)偏振的動(dòng)態(tài)調(diào)控效果，

激光集束的近場(chǎng)光場(chǎng)表達(dá)式為：

E（x，y，ω，t）=

式中， 分別為激光集束的各子束近場(chǎng)光斑幾何中心在 x，y 方向的距離， % 和/分別代表取余和取商， N 為集束中激光子束數(shù)目. E_j 為子束 j 的近場(chǎng)光場(chǎng)表達(dá)式 （j=1，2，…，N） ：

式中 為子束近場(chǎng)振幅空間分布， A₀ 為歸一化振幅， w_x，w_y 分別為子束在 x，y 方向的束腰， NN 為超高斯階數(shù). ω_j 為子束 j 中心頻率， ?_j 為子束 j 的近場(chǎng)位相分布，包括連續(xù)相位板引入的位相和近場(chǎng)位相畸變等. F_j= 為子束頻域分布.

于是，焦面光場(chǎng)可表示為：

式中 ， 為主透鏡焦距， c 為光速.由于式（3）涉及對(duì)空間變量 x，y 的積分，各子束在焦面光場(chǎng)的頻域特征與其近場(chǎng)保持一致，故而可設(shè)子束遠(yuǎn)場(chǎng)分布為： ，則焦面偏振方向分布沿x，y 方向的光場(chǎng)分量 E_fx，E_fy 可表示為：

從式（4）可以看出，子束中的不同頻率成分通過(guò)在靶面疊加，可實(shí)現(xiàn)靶面光場(chǎng)隨時(shí)間的快速變化.當(dāng)集束中各子束瀕域特征存在差異，如具有不同的頻譜或相位譜時(shí)，靶面正交偏振分量 E_fx，E_fy 以不同的規(guī)律隨時(shí)間變化，即可實(shí)現(xiàn)疊加光場(chǎng)偏振的快速調(diào)控.采用Stokes參數(shù)和偏振度DOP（用字母 P 表示）對(duì)這種偏振快速變化光場(chǎng)的偏振特性進(jìn)行表征：

式中， S₁/S₀ 和 S₂/S₀ 隨時(shí)間的快速變化表明光場(chǎng)偏振方向隨時(shí)間發(fā)生旋轉(zhuǎn) .S₃/S₀ 的快速變化則表明光場(chǎng)偏振態(tài)在線偏振、橢圓偏振、圓偏振之間的快速切換.

表1歸納了本文所提出的多種集束偏振動(dòng)態(tài)調(diào)控技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式及其重要特征.如表1所示，本文瞄準(zhǔn)靶面偏振動(dòng)態(tài)調(diào)控的目標(biāo)，通過(guò)對(duì)子束頻域特征的調(diào)控，分別發(fā)展了基于動(dòng)態(tài)位相調(diào)制子束疊加的DPCS、DPCR技術(shù)和非同源寬帶子束疊加的SIBL技術(shù).其中，DPCS是針對(duì)當(dāng)前主流的時(shí)間位相調(diào)制小寬帶激光裝置，通過(guò)采用延時(shí)電信號(hào)驅(qū)動(dòng)電光調(diào)制器，使得集束中的正交偏振子束附加互補(bǔ)型光譜角色散位相調(diào)制，利用其在靶面的疊加，在傳統(tǒng)光譜角色散勻滑的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)靶面光場(chǎng)偏振的動(dòng)態(tài)調(diào)控.在此基礎(chǔ)上，提出了采用反向旋轉(zhuǎn)光束泵浦的光克爾介質(zhì)替代電光調(diào)制器，利用攜帶反向旋轉(zhuǎn)位相調(diào)制的正交偏振子束的疊加，實(shí)現(xiàn)靶面偏振動(dòng)態(tài)調(diào)控時(shí)間尺度的縮短和勻滑性能的提升.SIBL疊加技術(shù)則是針對(duì)作為下一代高功率激光裝置重點(diǎn)發(fā)展方向的光譜非相干寬帶激光裝置，利用相位譜存在差異的非同源寬帶子束的疊加，實(shí)現(xiàn)靶面光場(chǎng)的偏振動(dòng)態(tài)調(diào)控和束勻滑.最后，進(jìn)一步提出了采用多色子束疊加的MCFM和MCSI技術(shù)，通過(guò)引入子束間中心波長(zhǎng)差，在保證靶面光場(chǎng)調(diào)控效果的情況下，降低對(duì)單子束帶寬的要求.

3靶面偏振動(dòng)態(tài)調(diào)控特性分析

基于所建立的物理模型，對(duì)提出的基于多子束疊加的集束偏振動(dòng)態(tài)調(diào)控技術(shù)的靶面光場(chǎng)調(diào)控特性進(jìn)行了定量分析，包括通過(guò)互補(bǔ)型位相調(diào)制使頻譜相同但相位譜存在差異的DPCS、DPCR技術(shù)、利用非同源光譜非相干寬帶子束疊加的SIBL疊加技術(shù)，以及通過(guò)中心波長(zhǎng)調(diào)控使頻譜存在差異的MCFM子束疊加技術(shù)和MCSI子束疊加技術(shù).

3.1基于互補(bǔ)型動(dòng)態(tài)位相調(diào)制子束疊加的偏振動(dòng)態(tài)調(diào)控技術(shù)DPCS是在以NIF為代表的主流高功率激光裝置所實(shí)施的SSD方案基礎(chǔ)上而提出的，其經(jīng)電光調(diào)制器和光柵調(diào)制后的子束頻域分布可表示為：

式中， δ_m 為調(diào)制深度， ω_m=2πν_m 為電光調(diào)制頻率， ξ 為色散系數(shù).分析式（7）可知，電光調(diào)制子束具有“梳”狀離散譜，譜線間的最小間隔為 ω_?m ，其頻帶寬度為 Δν=2δ_?mν_?m^[9，21] ，決定了光場(chǎng)的最小變化時(shí)間尺度，即散斑壽命，而散斑壽命的半高全寬 t_sp≈ 0.7/Δν=0.35/δ_?mν_?m^[9]

針對(duì)上述時(shí)間位相調(diào)制子束，采用如圖2所示的互補(bǔ)型位相調(diào)制方式，使集束中正交偏振子束之間存在位相譜差異，進(jìn)而利用其在靶面疊加，實(shí)現(xiàn)偏振態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)控，此即為我們提出的基于互補(bǔ)型SSD位相的動(dòng)態(tài)偏振調(diào)控（DPCS）技術(shù).

如圖2所示，子束1的位相調(diào)制單元中采用電信號(hào) u（t）=sin（ω_mt） 驅(qū)動(dòng)電光調(diào)制器，子束2的位相調(diào)制單元中采用電信號(hào) ]驅(qū)動(dòng)電光調(diào)制器，從而使得子束1攜帶的位相與子束2攜帶的位相具有互補(bǔ)特征，進(jìn)而導(dǎo)致子束1的焦斑內(nèi)部散斑和子束2的焦斑內(nèi)部散斑保持相反的掃動(dòng)方向.在此基礎(chǔ)上，在終端對(duì)集束的子束偏振態(tài)進(jìn)行調(diào)控，使得子束1與子束2具有正交的偏振方向，則靶面光場(chǎng)偏振分量I_x?I_y 將發(fā)生具有互補(bǔ)特征的時(shí)間演化，從而實(shí)現(xiàn)靶面光場(chǎng)的偏振動(dòng)態(tài)調(diào)控.

為反映靶面光場(chǎng)偏振的動(dòng)態(tài)特征，圖3以NIF裝置采用的電光調(diào)制參數(shù)為例，給出了焦面內(nèi)某一位置處（以焦斑中心位置為例）光強(qiáng)分量以及Stokes參數(shù)隨時(shí)間的變化曲線.

從圖3（a）可以看出，焦斑中心位置處正交偏振分量 I_x?I_y 均隨時(shí)間快速波動(dòng)，且二者變化規(guī)律不同.這種不同步的 I_x?I_y 快速變化將導(dǎo)致疊加光場(chǎng)偏振的快速變化.如圖3（b）所示，該位置的Stokes參數(shù)隨時(shí)間快速變化，表明光場(chǎng)偏振發(fā)生了動(dòng)態(tài)變化.其中， S₁/S₀S₂/S₀S₃/S₀ 均隨時(shí)間發(fā)生亞皮秒量級(jí)的快速變化，表明疊加光場(chǎng)偏振態(tài)在線偏振、橢圓偏振和圓偏振光之間以亞皮秒量級(jí)的時(shí)間尺度快速切換，同時(shí)，偏振方向也隨時(shí)間發(fā)生亞皮秒量級(jí)的快速旋轉(zhuǎn).

上述結(jié)果表明，在當(dāng)前主流裝置的動(dòng)態(tài)位相調(diào)制子束的基礎(chǔ)上，利用DPCS技術(shù)可實(shí)現(xiàn)靶面光場(chǎng)偏振的快速調(diào)控，獲得退偏程度較高的靶面光場(chǎng).然而，值得注意的是，圖3（a）和（b）反映的偏振變化時(shí)間在～10ps的時(shí)間尺度，遠(yuǎn)大于高功率激光裝置中LPIs效應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間.這是由于DPCS技術(shù)中所附加的SSD位相帶寬有限，進(jìn)而導(dǎo)致其決定的靶面光場(chǎng)偏振變化時(shí)間尺度有限.以NIF裝置所采用的電光調(diào)制頻率和調(diào)制深度為例，其遠(yuǎn)場(chǎng)散斑壽命半高全寬 τ_sp 為 ～8.6ps ，因而相應(yīng)的偏振變化時(shí)間尺度為 ～8.6 ps.然而，已有研究表明，SRS的增長(zhǎng)時(shí)間為亞皮秒時(shí)間量級(jí)，SBS的增長(zhǎng)為皮秒時(shí)間量級(jí)9，因此，基于現(xiàn)有裝置參數(shù)配置的DPCS技術(shù)對(duì)于受激散射的抑制效果有限.如果想要進(jìn)一步縮短DPCS技術(shù)的偏振變化時(shí)間尺度，則需要進(jìn)一步增大電光調(diào)制頻率和調(diào)制深度，這對(duì)基于電驅(qū)動(dòng)電光效應(yīng)的DPCS技術(shù)提出了極大挑戰(zhàn).

與之相對(duì)的，光驅(qū)動(dòng)的光克爾效應(yīng)具有亞皮秒量級(jí)的響應(yīng)速度，為實(shí)現(xiàn)超快的靶面光場(chǎng)偏振調(diào)控提供了可能性[30-31].因此，我們進(jìn)一步采用旋轉(zhuǎn)光束泵浦光克爾介質(zhì)，以提供皮秒量級(jí)周期的位相調(diào)制和太赫茲量級(jí)的帶寬展寬，并通過(guò)旋轉(zhuǎn)位相方向調(diào)控獲得相位譜存在差異的動(dòng)態(tài)位相調(diào)制子束，進(jìn)而利用多子束在靶面的疊加實(shí)現(xiàn)皮秒甚至亞皮秒量級(jí)的靶面偏振動(dòng)態(tài)調(diào)控，此即為我們提出的DPCR技術(shù).以集束中的子束1和子束2為例，圖4給出了DPCR技術(shù)的原理示意圖.

如圖4所示，采用旋轉(zhuǎn)光束泵浦光克爾介質(zhì)，使光克爾介質(zhì)的折射率分布隨時(shí)間快速變化，從而使主激光通過(guò)光克爾介質(zhì)后附加與旋轉(zhuǎn)光束同步變化的旋轉(zhuǎn)位相調(diào)制.同時(shí)，進(jìn)一步采用偏振控制板對(duì)集束中子束的偏振態(tài)進(jìn)行調(diào)控，使集束中的兩子光束對(duì)具有正交的偏振態(tài)和反向的旋轉(zhuǎn)位相調(diào)制，以獲得靶面的正交偏振分量 I_x?I_y 快速、隨機(jī)變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)靶面疊加光場(chǎng)偏振態(tài)的亞皮秒量級(jí)快速調(diào)控.

在DPCR技術(shù)中，旋轉(zhuǎn)光束可由具有中心頻差和相反拓?fù)浜蓴?shù)的拉蓋爾-高斯（LG）光束疊加得到，其表達(dá)式為：

l₁=-l₂=l，

式中， w_p 是LG光束的束腰寬度， Δω 是LG光束的中心頻差， I_LG 是LG光束的峰值強(qiáng)度. ξ_l 是LG光束拓?fù)浜蓴?shù)的絕對(duì)值，具體來(lái)說(shuō)，旋轉(zhuǎn)光束 I_r1 由頻率為 ω 、拓?fù)浜蓴?shù)為 ξ_l 的LG光束 E_LG（ω，l） 與頻率為ω+Δω_r 、拓?fù)浜蓴?shù)為 ^-l 的LG光束 E_LG（ω+Δω -l） 疊加得到，其旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針； I_r2 由頻率為ω 、拓?fù)浜蓴?shù)為-的LG光束 E_LG（ω，-l） 與頻率為ω+Δω_r 、拓?fù)浜蓴?shù)為 l 的LG光束 E_LG（ω+Δω_r，l） 疊加得到，其旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針.值得指出的是，旋轉(zhuǎn)光束的峰值強(qiáng)度 I_P=4I_LG ，旋轉(zhuǎn)周期 T_r= 2π/Δω_r ：

利用旋轉(zhuǎn)光束泵浦的光克爾效應(yīng)，為主激光子束附加同步變化的位相調(diào)制：

式中， n₂ 是光克爾系數(shù)， d 是光學(xué)克爾介質(zhì)厚度.定義等效調(diào)制深度 δ_ι 和歸一化空間分布 I 分別為：

于是， ?_r2=δ_i Ⅱ， cos（Δω_rt+2lθ） ，附加該旋轉(zhuǎn)位相調(diào)制子束的頻域分布為：

由式（11）可知，旋轉(zhuǎn)位相的引入拓展了主激光子束帶寬，使其由準(zhǔn)單色光變?yōu)榫哂幸欢◣挼摹笆帷睜钭V準(zhǔn)寬帶光，譜線間隔恰為位相旋轉(zhuǎn)頻率，頻帶寬帶則由位相等效調(diào)制深度 δ 和位相變化頻率Δω ，共同決定，即 Δν_?r=δ_?rΔω_?r/π ·此外，通過(guò)控制旋轉(zhuǎn)位相旋轉(zhuǎn)方向，可使附加該位相調(diào)制的子束具有相異的相位譜，進(jìn)而通過(guò)集束中具有正交偏振、攜帶反向旋轉(zhuǎn)位相調(diào)制的子束對(duì)在靶面疊加，實(shí)現(xiàn)靶面集束光場(chǎng)偏振的動(dòng)態(tài)調(diào)控，而偏振變化時(shí)間尺度則對(duì)應(yīng)于 Δν 所決定的相干時(shí)間 0.7π/δ_rΔω_r.

為直觀展示靶面光場(chǎng)偏振變化時(shí)間尺度，圖5（a）和（b）分別為焦斑中心位置處偏振分量光強(qiáng) I_x?I_y 和Stokes參數(shù)隨時(shí)間變化曲線，圖5（c）給出了一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)焦斑不同位置處偏振隨時(shí)間演化情況.

從圖5可以看出，焦面內(nèi)偏振分量 I_x 和 I_y 隨時(shí)間快速變化，且變化時(shí)間在亞皮秒量級(jí).分析其原因在于，在本文參數(shù)下，通過(guò)旋轉(zhuǎn)位相所實(shí)現(xiàn)的子束帶寬拓展為 ～1.6THz ，導(dǎo)致遠(yuǎn)場(chǎng)散斑壽命為～0.43ps ，從而導(dǎo)致焦面各空間位置處光強(qiáng)分量隨時(shí)間以亞皮秒量級(jí)快速變化.此外，由于集束內(nèi)兩子光束對(duì)具有正交的偏振態(tài)，且二者所附加旋轉(zhuǎn)位相的旋轉(zhuǎn)方向相反，因此，焦面 I_x，I_y 均隨時(shí)間快速變化，并表現(xiàn)出一定互補(bǔ)特性，進(jìn)而導(dǎo)致偏振態(tài)和偏振方向的快速變化.圖5（b）中Stokes參數(shù)的快速變化也反映了靶面光場(chǎng)偏振的快速變化.從圖5（c）可以看出，靶面光場(chǎng)偏振隨時(shí)間快速變化，包括偏振態(tài)的快速切換和偏振方向的快速旋轉(zhuǎn)，且偏振變化的時(shí)間尺度大致與散斑壽命相同，即～0.43ps，而該時(shí)間尺度與圖5（a）中光強(qiáng)分量的波動(dòng)周期，即散斑壽命基本一致.進(jìn)一步分析圖5可知，靶面不同位置處的偏振態(tài)不同，使得靶面光場(chǎng)偏振分布在時(shí)間和空間上均表現(xiàn)出隨機(jī)性.這種偏振的時(shí)空隨機(jī)分布將有利于SBS、SRS等LPIs過(guò)程的抑制.

采用DOP和Contrast分別對(duì)焦斑退偏效果和勻滑性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，圖6（a）給出了DPCR、DPCS、SSD焦斑的DOP分布，圖6（b和（c）分別給出了DPCR、DPCS、SSD焦斑的DOP和 Contrast隨時(shí)間變化曲線.

分析圖6（a）＼～（c）可知，相比于傳統(tǒng)的SSD方案，采用光克爾效應(yīng)調(diào)制位相的DPCR焦斑表現(xiàn)出很好的退偏性能.雖然，采用電光效應(yīng)調(diào)制位相的DPCS也實(shí)現(xiàn)了靶面光場(chǎng)偏振度的降低，但由于其所附加的位相調(diào)制頻率僅為 17GHz ，致使退偏周期較長(zhǎng)，在ps時(shí)間尺度內(nèi)的退偏性能明顯劣于DPCR技術(shù).圖6（b）和（c）中DPCR焦斑的DOP和Contrast在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期時(shí)間內(nèi)迅速降低到0.2左右，與DPCS和SSD的DOP和Contrast穩(wěn)定值相當(dāng)，但具有更快的下降速率，這表明DPCR技術(shù)表現(xiàn)出更快的退偏和勻滑速率.這是由于基于光克爾效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)位相調(diào)制光場(chǎng)的譜線間隔為旋轉(zhuǎn)頻率 Δω_r ，可達(dá)THz量級(jí)，顯著大于傳統(tǒng)SSD方案中的電光調(diào)制頻率，從而可實(shí)現(xiàn)皮秒甚至亞皮秒量級(jí)的光場(chǎng)退偏和勻滑，有望大幅提升靶面光場(chǎng)的LPIs抑制潛力.

3.2基于非同源光譜非相干寬帶子束疊加的偏振動(dòng)態(tài)調(diào)控技術(shù)光譜非相干寬帶激光裝置作為下一代高功率激光裝置的重點(diǎn)發(fā)展方向，近年來(lái)備受?chē)?guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注.針對(duì)這類(lèi)寬帶激光裝置，我們利用非同源寬帶子束的相位譜差異，提出了SIBL子束疊加方案.

不同于NIF裝置所采用的動(dòng)態(tài)位相調(diào)制激光，以美國(guó)LLE實(shí)驗(yàn)室FLUX和上海激光等離子體研究所“昆吾”為代表的寬帶激光裝置采用了光譜非相干寬帶光源，其頻域分布可表示為：

式中， δω 為子束帶寬，不同頻率成分之間沒(méi)有固定的位相關(guān)系， φ_j 在 [-π，π] 范圍內(nèi)隨機(jī)取值.通過(guò)對(duì)不同寬帶種子源分別進(jìn)行整形、放大和倍頻，可得到頻譜相同，但相位譜不同的光譜非相干寬帶子束，進(jìn)一步利用集束中偏振方向正交的非同源寬帶子束在靶面疊加，即可實(shí)現(xiàn)靶面光場(chǎng)偏振的動(dòng)態(tài)調(diào)控，其靶面光場(chǎng)偏振變化時(shí)間尺度由子束帶寬決定.以單子束帶寬 3.2nm （接近文獻(xiàn)[29]提出的1% 相對(duì)帶寬要求）的SIBL疊加方案為例，圖7（a）和（b）分別給出了焦斑中心位置處正交偏振分量I_x?I_y 隨時(shí)間變化曲線和相應(yīng)的Stoke參數(shù)隨時(shí)間變化曲線.

從圖7（a）中焦面偏振分量 I_x?I_y 隨時(shí)間的快速、異步變化和圖7（b中Stokes參數(shù)隨時(shí)間的快速變化可以看出，SIBL方案通過(guò)相位譜不同、偏振正交的寬帶子束在靶面進(jìn)行疊加，致使靶面光場(chǎng)偏振隨時(shí)間產(chǎn)生亞皮秒量級(jí)動(dòng)態(tài)變化，包括偏振方向的旋轉(zhuǎn)和偏振態(tài)在線偏振和圓偏振之間的快速切換.這種偏振的快速動(dòng)態(tài)變化也直接反應(yīng)在圖7（c中.此外，進(jìn)一步分析圖7可知，焦斑不同空間位置處偏振分布和偏振變化規(guī)律不同.這種偏振的時(shí)空快速動(dòng)態(tài)變化將有利于SRS、SBS等LPIs過(guò)程的抑制.

需要說(shuō)明的是，DPCS、DPCZ、SIBL子束疊加技術(shù)均利用頻譜相同但相位譜不同的正交偏振子束疊加實(shí)現(xiàn)了靶面光場(chǎng)偏振的動(dòng)態(tài)調(diào)控，其偏振變化的時(shí)間尺度即為光場(chǎng)相干時(shí)間，由子束帶寬決定.因此，欲實(shí)現(xiàn)對(duì)SBS、SRS增長(zhǎng)抑制所要求的皮秒、亞皮秒量級(jí)偏振動(dòng)態(tài)變化，則需要子束帶寬達(dá)THz或數(shù)十THz.這對(duì)子束帶寬提出了較高要求，而目前寬帶子束仍面臨高效率三倍頻的巨大挑戰(zhàn).為此，我們進(jìn)一步提出了多色子束疊加的偏振動(dòng)態(tài)調(diào)控技術(shù)，即使各子束的中心頻率 ω_j 各不相同，在保證靶面光場(chǎng)調(diào)控效果的同時(shí)，可降低對(duì)單子束帶寬的要求，包括針對(duì)美國(guó)NIF等主流小寬帶激光裝置的MCFM子束疊加方案和我國(guó)“昆吾”等寬帶激光裝置的MCSI子束疊加方案.

3.3基于多色子束疊加的偏振動(dòng)態(tài)調(diào)控技術(shù)圖 8以子束間波長(zhǎng)差 0.4nm 、總帶寬達(dá) 3.2nm 的激 光集束為例，給出了MCFM和MCSI兩種多色子束 疊加方案的子束和集束光譜示意圖（圖8）.

如圖8所示，MCFM子束疊加方案中，集束中不同子光束是具有中心波長(zhǎng)差8入的位相調(diào)制脈沖[32]，由 N 個(gè)不同種子源振蕩產(chǎn)生的不同中心波長(zhǎng)準(zhǔn)單色種子光，分別經(jīng)電光調(diào)制器進(jìn)行位相調(diào)制后獲得.進(jìn)一步由楔形透鏡陣列聚焦到靶面后，通過(guò)靶面子束疊加，使集束帶寬近似拓展為N8入.與之相比，MCSI準(zhǔn)寬帶方案則利用一束或多束帶寬極寬的寬帶種子源，經(jīng)不同選頻單元選頻及頻域裁剪得到中心頻率不同、帶寬相對(duì)較窄的多色子光束，進(jìn)而利用其在靶面的疊加進(jìn)一步增大集束帶寬.以8個(gè)子束均為帶寬 Δλ 的光譜非相干寬帶光為例，其中心頻率各不相同，具有 δλ 的增量，即各子束中心頻率分別為 λ_?0-3.5δλ_?1λ_?0-2.5δλ_?1λ_?0- 1.5δλ、λ₀-0.5δλ、λ₀+0.5δλ、λ₀+1.5δλ、λ₀+ 2.5δλ、λ₀+3.5δλ .于是，各子束在遠(yuǎn)場(chǎng)疊加后，集束光場(chǎng)的中心波長(zhǎng)為 λ₀ ，帶寬近似為 7δλ+Δλ ，波長(zhǎng)范圍覆蓋 [λ₀-3.5δλ-Δλ/2，λ₀+3.5δλ+Δλ/2] 值得指出的是，寬帶種子源可采用放大的自發(fā)輻射光源（amplified spontaneous emission，ASE）[3]或超輻射發(fā)光二極管光源（superluminescentdiode，SLD）[34]，選頻單元可以采用滿(mǎn)足中心波長(zhǎng)和帶寬要求的窄帶濾光片[35].

在此基礎(chǔ)上，采用偏振控制板對(duì)子束近場(chǎng)偏振進(jìn)行控制，從而獲得偏振正交的兩組子光束對(duì).通過(guò)這些不同頻率且偏振正交子光束的疊加，即可實(shí)現(xiàn)使靶面疊加光場(chǎng)偏振的動(dòng)態(tài)調(diào)控.圖9（a）和（b）分別給出了MCFM方案的焦斑 I_x?I_y 隨時(shí)間變化曲線及Stokes參數(shù)變化曲線，圖9（c）和（d）分別給出了MCSI方案的焦斑 I_x?I_y 隨時(shí)間變化曲線及Stokes參數(shù)變化曲線.

從圖9（a）和（c）可以看出，MCFM子束疊加方案和MCSI子束疊加方案的焦面正交偏振分量 I_x 、I_y 隨時(shí)間發(fā)生亞皮秒量級(jí)的快速、非同步變化，從而可獲得疊加光場(chǎng)偏振的快速動(dòng)態(tài)變化，這與圖9（b）和（d）所示的Stokes參數(shù)隨時(shí)間發(fā)生亞皮秒量級(jí)的快速變化相一致，

需要指出的是，盡管圖9中MCFM和MCSI子束疊加方案的單子束帶寬分別為0.1和 0.4nm ，但二者靶面集束光場(chǎng)偏振變化的時(shí)間尺度與圖7中單子束帶寬達(dá) 3.2nm 的SIBL子束疊加方案的情況幾乎相同.這表明，多色子束疊加方案通過(guò)引入子束間頻差，可獲得集束帶寬的展寬，致使遠(yuǎn)場(chǎng)相干性退化，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)靶面光場(chǎng)偏振調(diào)控速率的提升.圖10給出了MCFM和MCSI子束疊加方案的焦斑不同位置處偏振隨時(shí)間演化情況.

從圖10可以看出，MCFM和MCSI疊加方案的焦斑各位置處偏振均隨時(shí)間發(fā)生亞皮秒量級(jí)時(shí)間尺度的快速變化，包括偏振方向的旋轉(zhuǎn)和偏振態(tài)的快速切換，且每一時(shí)刻焦斑不同位置處具有不同的偏振態(tài)和偏振方向.這種多色子束疊加方案的焦斑偏振時(shí)空動(dòng)態(tài)變化，可實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)意義上的靶面光場(chǎng)退偏，從而有利于LPIs增長(zhǎng)的抑制.圖11給出了MCFM和MCSI疊加方案的焦斑偏振度DOP時(shí)空分布，并與傳統(tǒng)SSD方案以及SIBL方案進(jìn)行了對(duì)比.

圖11（a）中SSD的焦斑DOP恒為1，保持不變，即傳統(tǒng)SSD方案不具備靶面偏振的動(dòng)態(tài)調(diào)控能力.然而，MCSI疊加方案的焦斑DOP在極短時(shí)間內(nèi)迅速降低到O.3左右，且與SIBL方案的DOP值接近，而MCFM則降低到0.2左右.從圖11（b）＼～（e）也可以看出，相同積分時(shí)間尺度下，MCFM、MC-SI、SIBL子束疊加方案在焦面上均具有較低的DOP值.這表明，利用頻譜或相位譜存在差異的正交偏振子束的疊加，可動(dòng)態(tài)調(diào)控靶面光場(chǎng)偏振，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)靶面光場(chǎng)的退偏.此外，與僅存在相位譜差異的SIBL方案相比，多色子束疊加方案MCFM、MCSI通過(guò)引人子束間中心頻差，在保證靶面退偏效果的前提下，可極大降低對(duì)單子束帶寬的要求.

此外，通過(guò)集束中相同偏振子束的疊加還可實(shí)現(xiàn)靶面光場(chǎng)的勻滑化，進(jìn)一步提升光場(chǎng)的LPIs抑制潛力.圖12（a）和（b）分別給出了MCFM和MCSI子束疊加方案的焦斑Contrast和FOPAI曲線，并與傳統(tǒng)SSD方案以及SIBL方案進(jìn)行了對(duì)比.

在圖12（a）中，SSD的Contrast在 10ps 時(shí)間內(nèi)由 ～0.75 降低到 ～0.55 ，而MCFM的Contrast在約1ps時(shí)間內(nèi)由 ～0.75 迅速降低到 ～0.3 ，隨后再緩慢降低到 ～0.25 .MCSI和SIBL的焦斑Contrast曲線則具有相近的Contrast下降速率，且最終穩(wěn)定的Contrast值均為0.3.圖12（b）中，MCFM、MCSI、SIBL子束疊加方案的焦斑FOPAI曲線均比傳統(tǒng)SSD方案的焦斑FOPAI曲線顯著左移，表明子束疊加方案具有更好的焦斑均勻性.

圖11和圖12的結(jié)果表明，多色子束疊加方案通過(guò)子束間中心瀕差的引入，實(shí)現(xiàn)了靶面光場(chǎng)勻滑效果和退偏效果的極大提升.其中，利用同偏子束間疊加實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)場(chǎng)散斑分布的快速演化，通過(guò)正交偏振子束的疊加實(shí)現(xiàn)了偏振的快速動(dòng)態(tài)調(diào)控.由此可見(jiàn)，同偏子束間中心頻差和正交偏振子束中心頻差分別決定子束疊加作用導(dǎo)致的光場(chǎng)勻滑時(shí)間和退偏時(shí)間.在同偏和正交偏振子束間中心波長(zhǎng)差設(shè)置均為 0.4nm 的情況下，子束疊加作用導(dǎo)致的光場(chǎng)勻滑時(shí)間為1ps左右.此外，MCFM準(zhǔn)寬帶方案的單子束內(nèi)部還存在SSD方案的散斑掃動(dòng)效果，因此，靶面光場(chǎng)在子束疊加和SSD的共同作用下，獲得了退偏和勻滑效果的進(jìn)一步提升.

4 總結(jié)和展望

針對(duì)高功率激光裝置對(duì)激光等離子不穩(wěn)定性抑制的迫切需求，提出了基于集束中子束拍頻疊加效應(yīng)的靶面光場(chǎng)偏振快速動(dòng)態(tài)調(diào)控技術(shù)，包括利用互補(bǔ)型動(dòng)態(tài)位相調(diào)制子束疊加的DPCS和DPCR技術(shù)，以及利用非同源光譜非相十寬帶子束疊加的SIBL技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展了多色子束疊加的MCFM和MCSI技術(shù).研究結(jié)果表明，DPCS技術(shù)利用延時(shí)電信號(hào)驅(qū)動(dòng)電光調(diào)制器，使正交偏振子束附加互補(bǔ)型光譜角色散位相調(diào)制，可在傳統(tǒng)SSD勻滑效果的基礎(chǔ)上，獲得靶面光場(chǎng)的偏振動(dòng)態(tài)調(diào)控效果，但偏振變化時(shí)間尺度難以滿(mǎn)足LPIs抑制需求；DPCR技術(shù)則利用反向旋轉(zhuǎn)光束泵浦光克爾介質(zhì)替代SSD，通過(guò)使正交偏振子束附加反向旋轉(zhuǎn)位相調(diào)制，可獲得皮秒、亞皮秒量級(jí)的偏振動(dòng)態(tài)調(diào)控，并實(shí)現(xiàn)退偏效果和勻滑效果的大幅提升.SIBL技術(shù)利用非同源寬帶子束疊加，可獲得靶面光場(chǎng)偏振動(dòng)態(tài)調(diào)控效果，并且，單子束帶寬決定偏振變化時(shí)間尺度，子束數(shù)目決定退偏和勻滑效果.DPCS、DPCR、SIBL技術(shù)的偏振變化時(shí)間尺度均由單子束帶寬決定，因此，為獲得LPIs抑制所要求的皮秒、亞皮秒量級(jí)偏振動(dòng)態(tài)調(diào)控，對(duì)單子束帶寬提出了較高要求；而多色子束疊加方案，包括MCFM和MCSI技術(shù)，則是利用存在中心波長(zhǎng)差的時(shí)間位相調(diào)制子束或光譜非相干寬帶子束，實(shí)現(xiàn)靶面光場(chǎng)偏振動(dòng)態(tài)調(diào)控和光強(qiáng)勻滑，其偏振變化時(shí)間尺度由束間中心頻差和子束數(shù)自共同決定，因此，在不降低靶面光場(chǎng)調(diào)控效果的情況下，可極大降低對(duì)單子束帶寬的要求.

目前，高功率激光裝置經(jīng)歷數(shù)十年的發(fā)展，可實(shí)現(xiàn)對(duì)于激光單子束靶面光場(chǎng)光強(qiáng)、頻譜、偏振等的精密調(diào)控，但裝置仍面臨激光等離子體不穩(wěn)定性增長(zhǎng)的挑戰(zhàn).本文的研究結(jié)論表明，基于激光多子束拍頻疊加的集束聯(lián)合調(diào)控方案存在巨大潛力，有望大幅提升裝置調(diào)控能力，改善靶面光場(chǎng)性能，在一定程度上突破單子束的帶寬限制.然而，目前對(duì)于集束中多子束的聯(lián)合調(diào)控研究尚不夠充分，且存在諸多技術(shù)上的挑戰(zhàn)，如子束獨(dú)立調(diào)控帶來(lái)的子束時(shí)間同步性問(wèn)題、功率平衡問(wèn)題、工程復(fù)雜性問(wèn)題、成本問(wèn)題等.此外，對(duì)于多子束聯(lián)合調(diào)控方案的LPIs抑制理論和實(shí)驗(yàn)研究也相對(duì)匱乏.論文發(fā)表的基于子束疊加效應(yīng)的集束靶面光場(chǎng)偏振動(dòng)態(tài)調(diào)控技術(shù)有望為以LPIs抑制為牽引目標(biāo)的靶面光場(chǎng)帶寬、偏振、光強(qiáng)的綜合動(dòng)態(tài)調(diào)控提供有用參考，但尚需進(jìn)一步深入開(kāi)展動(dòng)態(tài)偏振調(diào)控光場(chǎng)的激光等離子體相互作用分析研究，并針對(duì)我國(guó)ICF裝置的光路配置和參數(shù)，對(duì)論文提出的靶面光場(chǎng)偏振動(dòng)態(tài)調(diào)控方案進(jìn)行工程可行性分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.總之，基于多子束拍頻疊加的集束聯(lián)合調(diào)控方案有望突破單子束調(diào)控方案的極限，在帶寬展寬和快速偏振動(dòng)態(tài)調(diào)控方面存在巨大潛力，但目前尚需深入探索和研究.

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Dynamic Polarization Schemes Based on the Beat Superposition of Multi-Beamlets within a Laser Quad

ZHANG Bin1，2， XIONG Hao1， CHEN Qijun1， ZHONG Zheqiang ^1，2 （1.College of Electronicsand Information Engineering，Sichuan University，Chengdu 61o65，Sichuan; 2.BigDataAsdsiAtoebonnUst

Abstract：Thedynamicpolarization schemesbasedonthebeatsuperpositionofmulti-beamletswereproposed to suppress the growthf laserplasmainstabilies（LPIs），suchasbackwardstimulatedsatering.Thebasicprincipleistoutilizethebatsuperpo sotionofmultiplebeamletswithinthelaserquad，combinedwithindependentcontrolofthebeamlets’amplitudespectra，phasespectra andpolarizationtoandomiztespatiotempoaldistrbtioofepzationforthsuprimposdlaserfeld，cdingtepep sitionofcomplementarysmothingbyspectraldispersionphasemodulatedbeamlets，counterrotatingphasemodulatedbeamlets，non homologousspectralincoherentbroadbandsub-beams，multi-spectralincoherentbroadbandsub-beaswithdiferentspectra，and multi-spectraltimepasemodulationsubbams.Theresultssowthat，usingthesuperpositionefectsofmultiplebeamletswithidenticalamplitudesperabutdiferentpasespetraandorthogoalpolrzation，polarzatiodynamiccontrolonteoderofpicocodsor evensub-picosecondscanbeachieved，whosetimescaleofthepolarationvartionisdetenedbythebandwidthofasinglebeamlet.Further，byusingthesuperpositionofulicolorbeamletswithdiferentampitudespectraandorthogoalpolarizationthetie scaleforthepolarizationvariationofthesuperimposedlaserfieldisdeterminedbythefrequencyshiftbetwenhebeamletsandthe numberofthebeamlets，whichcansignificantlyrelaxthebandwidthrequirementsofasinglebeamletwithoutdegradingthedepolarizing andsmoothingperformanceofthelaserfeldonthetargetplane，providingatheoreticalreferenceforcomprehensivedynamiccontrolof target-field bandwidth，polarization and intensity aimed at LPIs suppression.

KeyWords：inertialconfinementnuclearfusion；laserplasmainstabilitymulti-beambeatfrequency；polarizationdynamiccontrol

（編輯 鄭月蓉）