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劳伦斯利弗莫尔国家实验室千焦级拍瓦激光器的系统建模
时间:2016-12-19 10:41来源:讯技光电作者: 技术部点击:打印
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)
 
免责声明
 
本文是为美国政府的一个机构发起的工作报告而准备的。美国政府或劳伦斯•利弗莫尔国家安全有限责任公司及其员工,均不作任何明示或暗示的保证,或对于所透露的任何信息、设备、产品或过程的准确性、完整性或有用性承担任何法律责任或义务,或表示其使用不会侵犯私有权。本文中以商业名称、商标、制造商或其他方式提及的任何特定商业产品、过程或服务不一定表明或暗示其得到美国政府或劳伦斯•利弗莫尔国家安全有限责任公司的认可、推荐或赞同。本文所表达的作者的观点和意见不一定表述或反映美国政府或劳伦斯•利弗莫尔国家安全有限责任公司的看法和见解,不得用于广告或产品宣传的目的。
 
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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