基于近场熵的强激光装置光束小尺度自聚焦评价研究

发布时间：2020-05-26 13:22

【摘要】：由于在聚变能源、高能量密度科学和军事等方面的巨大作用,ICF (Inertial Confinement Fusion)强激光装置的研究得到众多大国的关注。在强激光装置中,光束微小的调制在强非线性效应下会发生小尺度自聚焦。其形成的极高强度细丝会造成元件的光学损伤,威胁装置的安全运行。研究装置中光束小尺度自聚焦的评价方法,并借此界定装置中光束非线性调制快速增长开始时所对应的状态,明确装置安全运行下的最大输出能力,这对于装置的安全运行、设计以及优化都有很强的现实意义。针对对比度、调制度和PSD (Power Spectral Density)等近场表征量对非线性调制快速增长开始处的判据点不清晰的问题,本文探索能更加直观反映非线性快速增长开始处的近场表征量。本文在理论分析的基础上,利用香农熵的极值性质,提出用近场强度熵和近场强度对数PSD熵来反映装置中光束小尺度自聚焦发展情况的方法。通过定性分析发现输出光束近场强度熵值随着装置中小尺度自聚焦的发展将出现反向变化,对应小尺度自聚焦开始快速增长处会出现拐点。类似的,从频率域进行分析,发现输出光束近场强度对数PSD熵值随着装置中光束小尺度自聚焦的发展将先减小后增大,对应小尺度自聚焦开始快速增长处会出现拐点。近场熵区别于经典的对比度和调制度等表征量,在非线性效应开始明显增强后会出现反向变化,能够更清晰的反映出装置中非线性调制快速增长的开始。以神光-Ⅲ原型装置为对象,对其在不同能量注入的输出近场(不同程度非线性效应)进行数值模拟和实验分析,以研究近场熵的变化情况。发现在理想超高斯注入且光路中空间滤波器小孔直径很大的情况下,近场强度熵值随着级间B积分的增大先增大后减小,近场强度对数PSD熵值先减小后增大,均出现了拐点,且两个拐点位置的对应性较好。同时,通过对神光-Ⅲ原型装置的高强度实验(光路中空间滤波小孔直径较小)进行数据分析,发现输出近场强度熵值和理论分析所预测的一样随着小尺度自聚焦的发展先增大后减小,并在小尺度自聚焦开始快速增长时出现明显拐点。发现对数PSD熵值随着小尺度自聚焦的发展不断减小,经分析认为这是由于高频成分被空间滤波器滤除导致的。最后,利用本文所定义的近场强度熵,对目前国内单束输出能力最高的ITB(Integration Test Bed)装置非线性受限情况进行研究。通过近场强度熵值在非线性调制快速增长开始的时候出现的反向变化,预警装置将面临非线性效应带来的光学损伤风险。并据此给出了装置的输出能力受限边界线。这对ITB装置的安全运行以及优化具有指导意义。
【图文】：

利用对比度随着级间Ｂ积分变化．高阶对比度值在级间Ｂ积分较小时将是个小量，而逡逑在小尺度自聚焦快速增长对应的级间Ｂ积分值处高阶对比度相比之前的小量将会有一逡逑个大幅的增大，则相比对比度曲线将出现更为明显的变化点（图１．２）。逡逑０－邋８邋ｒ逦ｍ逦ｌｉｐ逦Ｉ逡逑０－７逦Ｉ逦ｗ邋：逦—Ａ——阶＂化巧逦Ｉ逡逑Ｉ逦ｇ邋ｒ逦—？—巧的＂比化逡逑。＇６：邋／逡逑害。／逡逑－ｙ邋／］逡逑ｏ邋＇逦（ａ）逦Ｉ邋Ｌ逦（ｂ）逡逑０．０邋Ｌ逦ｊ邋Ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋Ｉ逦０ｉ邋ｍ逦■邋■邋■＊＊！邋Ｉ—Ｉ逡逑０逦Ｊ逦２逦３逦４逦０逦Ｉ逦２逡逑公逦６逡逑图１．２带有ＰＳＤ相位噪声的平面波传输中（ａ）对比度；（ｂ）邋Ｈ阶、四阶对比度；随Ｂ积分值变化逡逑曲线逡逑１．２．３近场功率谱密度方法逡逑近场对比度、调制度和高阶对比度的方法都是从激光束近场强度分布的空间域进行逡逑统计分析的，彭志涛等人则从空间频率域的角度进行研究ｆＷ。利用激光束近场ＰＳＤ的逡逑变化来表征强激光装置中光束小尺度自聚焦的发展情况。光强ＰＳＤ是光强各频率分量逡逑Ｆｏｕｒｉｅｒ振幅值的分布，表不激光束近场强度各种空间频率成分的权重分布，可Ｗ定义为逡逑其中／（；＜：，＿ｙ）为激光近场（ｘ，ｙ）处的光强值，３（／（；ｒ，＿ｙ））为相应频率分量的Ｆｏｕｒｉｅｒ振幅值，逡逑报道中取一维的ＰＳＤ进行分析，研究经平均后的一维ＰＳＤ曲线随级间Ｂ积分的变化情逡逑况，利用ＰＳＤ曲线的高频分量增长来反映强激光装置中激光束小尺度自聚焦的发展情逡逑况（图１．３邋（ａ））。并基于帕斯瓦尔定理（Ｐａｒｓｅｖａｌ’ｓｔｈｅｏｒｅｍ）

利用对比度随着级间Ｂ积分变化．高阶对比度值在级间Ｂ积分较小时将是个小量，而逡逑在小尺度自聚焦快速增长对应的级间Ｂ积分值处高阶对比度相比之前的小量将会有一逡逑个大幅的增大，则相比对比度曲线将出现更为明显的变化点（图１．２）。逡逑０－邋８邋ｒ逦ｍ逦ｌｉｐ逦Ｉ逡逑０－７逦Ｉ逦ｗ邋：逦—Ａ——阶＂化巧逦Ｉ逡逑Ｉ逦ｇ邋ｒ逦—？—巧的＂比化逡逑。＇６：邋／逡逑害。／逡逑－ｙ邋／］逡逑ｏ邋＇逦（ａ）逦Ｉ邋Ｌ逦（ｂ）逡逑０．０邋Ｌ逦ｊ邋Ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋Ｉ逦０ｉ邋ｍ逦■邋■邋■＊＊！邋Ｉ—Ｉ逡逑０逦Ｊ逦２逦３逦４逦０逦Ｉ逦２逡逑公逦６逡逑图１．２带有ＰＳＤ相位噪声的平面波传输中（ａ）对比度；（ｂ）邋Ｈ阶、四阶对比度；随Ｂ积分值变化逡逑曲线逡逑１．２．３近场功率谱密度方法逡逑近场对比度、调制度和高阶对比度的方法都是从激光束近场强度分布的空间域进行逡逑统计分析的，彭志涛等人则从空间频率域的角度进行研究ｆＷ。利用激光束近场ＰＳＤ的逡逑变化来表征强激光装置中光束小尺度自聚焦的发展情况。光强ＰＳＤ是光强各频率分量逡逑Ｆｏｕｒｉｅｒ振幅值的分布，表不激光束近场强度各种空间频率成分的权重分布，可Ｗ定义为逡逑其中／（；＜：，＿ｙ）为激光近场（ｘ，ｙ）处的光强值，３（／（；ｒ，，＿ｙ））为相应频率分量的Ｆｏｕｒｉｅｒ振幅值，逡逑报道中取一维的ＰＳＤ进行分析，研究经平均后的一维ＰＳＤ曲线随级间Ｂ积分的变化情逡逑况，利用ＰＳＤ曲线的高频分量增长来反映强激光装置中激光束小尺度自聚焦的发展情逡逑况（图１．３邋（ａ））。并基于帕斯瓦尔定理（Ｐａｒｓｅｖａｌ’ｓｔｈｅｏｒｅｍ）
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TL632.1

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本文编号：2681901