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*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。 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*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。 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*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,zui后到达靶室。 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。 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。 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zui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。 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。 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。*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*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) |
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