文章来源：Shverdin, M Y, et al. "System Modeling of kJ-class Petawatt Lasers at LLNL." Office of Scientific & Technical Information Technical Reports(2010)
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System Modeling of kJ-class Petawatt Lasers at LLNL
M. Y. Shverdin*, M. Rushford, M. A. Henesian, C. Boley, C. Haefner, J. E. Heebner, J. K.
Crane, C. W. Siders and C. P. J. Barty
Lawrence Livermore National Laboratory
国家点火装置（NIF）[2] 先进射线照相能力（ARC）[1]项目旨在产生70-100keV范围内的高能、超快的x射线，用于背光NIF目标。啁啾脉冲放大（CPA）激光系统将以1ps至50ps的可控脉冲持续时间产生千焦脉冲。系统复杂性需要复杂的仿真和建模工具，用于设计、性能预测和对实验结果的理解。我们提供了ARC的简要概述，介绍我们主要建模工具，并描述重要的性能预测。
激光系统（图1）由全光纤前端组成，包括啁啾光纤布拉格光栅（CFBG）延伸器。通过最后的光纤放大器后，光束被分开到两个孔径并且在空间上成形。分束光首先产生再生放大器，然后在多通道钕玻璃放大器中放大[3]。接下来，将预放大的啁啾脉冲在时间上分成四个相同的脉冲并注入到一个NIF Quad。在NIF束线的输出处，八个放大的脉冲中的每一个在单独的折叠的四光栅压缩器中被压缩。压缩器光栅对具有略微不同的沟槽密度，以实现紧凑的折叠几何形状并消除相邻的光束串扰。脉冲持续时间可在前端使用小型机架安装式压缩机进行调节。
我们使用非序列光线追迹软件FRED [4]，用于光学系统的设计和布局。目前，我们的FRED模型包括从光纤前端到目标中心（图2）。CAD设计的光机部件导入我们的FRED模型，以提供一个完整的系统描述。除了非相干光线追迹和散射分析，FRED使用高斯光束分解来模拟相干光束传播。忽略非线性效应，我们可以获得系统不同时期的ARC光束的几乎完整的频域描述。
我们采用基于3D傅里叶的传播软件：MIRO [5]、Virtual Beamline（VBL）[6]和PROP [7]，可用于时域脉冲分析。这些软件模拟非线性效应，计算近场和远场光束分布，并考虑放大器增益。 正确的系统设置的验证是使用这些软件的主要难点。VBL和PROP预测已经广泛用于NIF实验，同时特定NIF光束线的验证的描述已经用于ARC。MIRO具有处理CPA的带宽特定效应的附加能力。NIF光束线的样本MIRO模型如图3所示。MIRO模型在窄带宽模式下被基准化为VBL和PROP。
开发各种模拟工具使我们对不同模型的预测进行交叉检查，并增加其可信度。目前正在进行的初步实验使我们能够验证和改进我们的模型，并帮助指导未来的实验活动。
图1.突出显示了CPA结构的一个独特形式的ARC系统的概略图，在一个NIF光束线中产生两个强脉冲
图2.ARC系统的FRED模型提供一个系统级概述和各个组件的描述
图3.ARC的MIRO模型具有物理光学系统的描述
这项工作由美国能源部主持，根据合约DE-AC52-07NA27344在劳伦斯利弗莫尔国家实验室实施。
参考文献
[1] C.P.J. Barty, et. al., “An overview of LLNL high energy short pulse technology for advanced
radiography of laser fusion experiments,” Nucl. Fusion, 44, S266‐275 (2006).
[2] C. A. Haynman, et al., “National Ignition Facility laser performance status,” Appl. Opt. 46, 3276‐3303 (2007) .
[3] R. H. Sawicki, “The National Ignition Facility: laser system, beam line design, and construction,” in Optical Engineering at the Lawrence Livermore National Laboratory II: The National Ignition Facility,Proc. SPIE, 5341, 43 (2004).
[4] FRED by Photon Engineering, <http://www.photonengr.com/>.
[5] Olivier Morice, “Miro: Complete modeling and software for pulse amplification and propagation in high‐power laser systems,” Opt. Eng. 42, 1530 (2003).
[6] J. T. Hunt, K. R. Manes, J. R. Murray et al., “Laser design basis for the National Ignition Facility,” Fusion Technology, 26, 767‐771 (1994).
[7] W. H. Williams et al., ‘‘Optical propagation modeling,’’ Proc. SPIE 5341, 66‐72 (2004).
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