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英国原子武器研究装置--Orion激光设施最新进展
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为了研究高能量密度物理学,英国原子武器研究机构(AWE)于2012年初开始运营Orion激光设施。它由10条纳秒光束线路和2条亚皮秒光束线路组成。纳秒光束线路的每条光束在351nm波长下,在100ps~5ns之间用户自定义的脉冲形状下,每1ns可输出500J能量。短脉冲光束线路的每条光束在500fs内可输出500J的能量到靶面上,每条光束强度大于10^21W/cm2。

经验证,所有的光束线路都可以按所上述方式传输脉冲到靶面上,下文将概括性地介绍该设施的设计,以及该设施运行第一年来进行实验活动的操作性能。

该设施在子孔径处有倍频一条短脉冲光束的能力,从而可提供高达100J能量的高对比度的短脉冲打靶光束。倍频在压缩后产生,并且采用了一块3mm厚、300mm口径的磷酸二氢钾(KDP)晶体作倍频器。

2012年期间,激光的性能要求已经得到验证,关键诊断设备和靶的诊断设备已经委托制作。此外,还有一个关于提高短脉冲(基波)的对比度和长脉冲操作效率的发展计划正在实施。

预计从2013年3月开始,除了与AWE科学家的合作实验外,该设施15%的运行时间将对外部学术用户进行开放。

1. 简 介

英国原子武器研究机构的Orion激光设施于2011年竣工。该设施用于高能量密度等离子体物理学实验,由十条“长脉冲”光束和两条“短脉冲”光束组成。

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图 1 Orion 激光设施光束线路布局

图1为该设施的布局,长脉冲光束由两个光束堆组成,每个光束堆包括五条光束线路,由一个前置放大模块(PAM)提供种子源。PAM的种子由光脉冲发生器1(OPG1)产生并通过光纤提供。长脉冲光束结构包括一个角复用四程系统,光束的分离和重定向发生在长的空间滤波器的针孔平面附近。每条光束线路都用了4块200mm口径的圆盘状放大器(磷酸盐钕玻璃),都在靶室进行三倍频,都有一套基波和三次谐波的诊断设备。

短脉冲光束由光脉冲发生器2(OPG2)提供种子源。锁模掺钛蓝宝石激光器发出的光束被分成两束,经各自独立的Offnet三部件系统进行脉冲展宽后注入光学参量放大器中,通过三级放大器实现放大,由一台商品Nd:YAG激光器的倍频输出提供泵浦。

2. 长脉冲设计

长脉冲源于一个完全光纤耦合系统,包括一个分布式反馈(DFB)光纤激光器、一个声光调制器、两个独立的集成光调制器和两个PAM。每个集成光调制器都由一个任意的波形发生器(AWG)和方形脉冲发生器驱动,产生宽度为0.1~5ns的脉冲。

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图 2 OPG1 结构

PAM包括4个子系统:再生放大器、空间整形、光谱色散平滑(SSD)和棒状放大器,如图3所示。

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图 3 PAM 结构的主要子部分的概览以及两边的视图

每条长脉冲光束线路在1053nm的输入是15mJ,输出是750J。光束能量用由偏振镜和半波片组成的分束单元进行平衡。分束后,光束在焦面附近被注入到图4所示的角复用四程结构,经过一个长的传输空间滤波器(TSF)后扩束为170mm,然后入射到4个200mm口径的圆盘放大器。系统利用第一个大传输镜分出的光进行近场和远场测量。

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图 4 长脉冲圆盘放大部分,展示了带有换向器部件的四程结构

KDP晶体将进入靶室的长脉冲光束进行三倍频。长脉冲光束线路传输到靶室的结构如图5所示。

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图 5 长脉冲光束线路传输到靶室的概览,展示两个镜面锥体

3. 短脉冲设计

短脉冲的光源是一个商品掺钛蓝宝石振荡器,中心波长1054nm,带宽12nm。脉冲被分成两路后,依次通过独立的Offnet三部件展宽系统。展宽后的两束光分别通过OPG2中的第一级放大器,用一个光学参量啁啾脉冲放大(OPCPA)系统保持带宽,输出光谱在时间和空间上有段平顶轮廓,如图6所示。

图7所示为短脉冲光束线路结构。从OPG2输出的光到靶室通过的单元依次是脉冲展宽单元、OPCPA、棒放大器(扩束比86mm:16mm)、法拉第光隔离器、100mm口径圆盘放大器、自适应光学元件、扩束系统(扩束比140mm:86mm)、150mm口径圆盘放大器、法拉第光隔离器、扩束系统(扩束比180mm:140mm)、3台200mm口径圆盘放大器、扩束系统(扩束比600mm:180mm)、真空压缩器,最后到达靶室。

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图 6 典型的 OPG2,输出光谱和近场图像,证明了频域和空间上的平顶轮廓

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图 7 短脉冲光束线路结构

图8所示为倍频转换室,室内使用了一块子孔径300mm、厚3mm的KDP I型晶体,晶体之前是分段切趾掩膜。

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图 8 频率转换室

4. 运行性能

12条光束均已同时成功打靶,同步精度为±50ps。X射线超快高速扫描照相机测量结果如图9所示。

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图 9 光束同步显示到达靶的长、短脉冲光束线上的相对时序

4.1长脉冲性能

图10所示为基波(1ω)和三次谐波(3ω)的近场和远场的输出轮廓,以及非校正的和校正的1ω波前测量结果,1ω和3ω的远场对比分析表明诊断系统的波前误差可以忽略不计。

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图 10 基波和三次谐波中的长脉冲光束线路空间性能

Orion激光器第一个运行期的打靶脉冲长度范围为100ps~5ns全部脉宽。图11所示为棒放大器输出以及主光路输出的时间脉冲演变。

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图 11 用超高速扫描照相机从光束线路 7 的诊断系统测量的棒放大器和主光束线路出的脉冲波形

4.2 短脉冲特性

短脉冲光束的关键指标是打靶的焦斑质量,为此采用了一块变形镜(DFM)和离轴抛物面(OAP)镜。图12(a)所示为压缩器前用标准反射镜代替DFM的光束面形诊断结果,峰谷值(PV)为2.5λ,(b)表明校正后的光束PV为0.8λ,(c)为压缩脉冲的远场诊断结果,(d)是靶面上的短脉冲焦斑,(e)为靶面上2ω光参量放大器输出光的焦斑,(f)是分辨率极限为15μm的针孔相机拍摄的时间积分X射线的SP2处的焦斑,显示去卷积的半最大全宽(FWHM)为16μm,(g)是功率为100TW、辐射照度为2×1020W/cm2的脉冲在靶面上的强度分布图像。

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图 12 短脉冲光束线路的焦斑性能

图13为压缩器前、后的近场分布,显示单程压缩设计中的横向色散,曲线图显示OPG2输出能量对应短脉冲线路输出的能量,该线路能以误差为5%输出所想要的能量。

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图 13 短脉冲压缩器前、后的近场分布以及能量稳定性

为使靶上达到最高的功率,必须保持带宽以产生最佳的压缩。图14(a)所示为到达压缩器舱之前的放大脉冲频谱,带宽是7nm(FWHM)。锐利的边缘是由OPA频谱形成的,此放大级频谱轮廓可通过改变SPRA中的磷酸盐和硅酸盐棒的增益来实现。图14(b)给出一个用自相关仪测得压缩后的脉冲,FWHM为600fs。

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图 14 压缩器后短脉冲光束线路的频谱和自相关轨迹

OPCPA系统面临的一个主要挑战是主短脉冲与任意的基底或预脉冲的对比度问题。当前Orion设施达到初始要求,但对某些实验还有不足。图15所示为大量打靶实验中不同衰减水平下的光电二极管的描迹,显示对比度约为10^-8。

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图 15 短脉冲光束线经压缩后的对比度特性

为提高对比度,对一个短脉冲光束进行了上述的倍频操作,倍频后对比度>10^-12,超过仪器测量能力。图16表明倍频后对比度提高。

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图 16 与基波相比,短脉冲频率改变后的对比度提高

5. 辅助光束线路试运行

Orion有能力产生两条测试光束,并可将两条短脉冲光束线路转换为传统背向照明器光束。测试光束的要求是利用~1ps、~1J的基波提供一个到靶的四次谐波光束,考虑到四次谐波光束的传输复杂性以及空间需求,此测试光束需要两级压缩,如图17所示。

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图 17 测试光束压缩和谐波转换分解

6. 激光器发展计划

Orion激光设施包含一套完整的辅助激光实验室,有利于在提高主激光性能方面实施进一步的发展计划。当前的重点是如何在不需要倍频的条件下提高短脉冲前端的对比度。新设计是将系统建立在一个小的光学平台上,可以直接插入到OPG2的可用空间。

另一正进行的工作是,利用与二极管泵浦激光头一样的类型作样机,开发一种既可作为脉冲放大器又可作对准光束的新的长脉冲再生放大器,从而简化长脉冲结构,提高操作效率。基于一个线性腔设计,假设该腔可以在脉冲和连续波之间切换,从而作为长脉冲光束线路的对准激光。

7. 结 论

Orion设施的整个试运行已经完成,每天可以进行高达5次的完整打靶能力已经得到验证。首批实验着眼于高温、高密度的条件下的材料特性,该实验已成功实施。Orion承诺建成一个研究等离子体物理学的世界级设施,并不断探索未知领域。AWE利用已打下的坚实基础,在长、短脉冲光束线路方面的进一步提高将激光驱动等离子体物理学发展到一个新纪元。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (10/11/2013)
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