基于近场熵的强激光装置光束小尺度自聚焦评价研究

来源 :中国工程物理研究院 | 被引量 : 1次 | 上传用户:woyaoqian115
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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。
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