一种使散斑高速随机扫动和偏振高速旋转的光场调控方法
技术领域
本发明涉及一种光场调控方法，具体涉及一种使散斑高速随机扫动和偏振高速旋转的光场调控方法。
背景技术
在激光驱动的惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion,ICF)装置中，广泛采用了多种空域和时域的束匀滑技术来实现对激光束在焦平面光场均匀性的控制，以满足物理实验要求的可控精密靶面光场分布。在已有的空域束匀滑技术中，常采用连续相位板(Continuous Phase Plate,CPP)来控制激光束焦平面光场包络，但由于激光束内部子光束间的相干叠加，其焦平面光场内部存在散斑结构。这一类散斑结构会导致激光与等离子体相互作用过程中各种非线性不稳定效应的产生，从而降低激光束对靶丸的压缩对称性，甚至导致点火失败。因此，需要结合时域束匀滑技术和偏振匀滑技术以抑制焦平面光场内部散斑的存在。所述时域束匀滑技术以光谱角色散(Smoothing by Spectral Dispersion,SSD)技术为主流，其基本原理是通过电光调制器对激光束进行时间相位调制和利用光栅进行光谱角色散，以实现焦平面光场内部散斑在光栅色散方向的平移扫动，以改善辐照均匀性。所述偏振匀滑(Polarization Smoothing,PS)技术则利用双折射光楔改变激光阵列中两子光束的偏振，使子光束的偏振两两正交，从而瞬时提高焦平面光场的辐照均匀性。近年来，通过对激光束在等离子体中背向散射的研究表明，STUD(Spike Trains of UnevenDuration and Delay,STUD)脉冲中子脉冲序列光强的皮秒量级、间歇式通断有利于抑制包括受激拉曼散射和受激布里渊散射的背向散射。此外，通过使焦平面光场的偏振快速旋转也能够有效地抑制背向散射。然而，连续相位板、光谱角色散技术和偏振匀滑技术均不能使光场在皮秒时间尺度内快速变化。因此，亟需发展一种使散斑高速随机扫动和偏振高速旋转的光场调控方法，以在亚皮秒或皮秒时间尺度内改善焦平面光场均匀性，且有效地抑制背向散射。
发明内容
本发明的目的正是为克服现有技术中所存在的缺陷与不足，提供一种使散斑高速随机扫动和偏振高速旋转的光场调控方法，在激光阵列中，每一子光束对的两子光束间存在角频率差，且分别经过不同的偏振控制板变换成偏振正交的线偏振光，再分别经过面形各异的连续相位板进行空间相位调控，最后使所有子光束在焦平面进行叠加，从而产生散斑高速随机扫动和偏振高速旋转的光场。
本发明提出的使散斑高速随机扫动和偏振高速旋转的光场调控方法可用于直接和间接驱动的ICF装置，以同时改善焦平面光场的辐照均匀性和抑制背向散射。
本发明提出的使散斑高速随机扫动和偏振高速旋转的光场调控方法还可用于多种激光与等离子体相互作用场景，以抑制背向散射等非线性不稳定性效应。
为实现上述目的，本发明采用由以下技术措施构成的技术方案来实现：一种使散斑高速随机扫动和偏振高速旋转的光场调控方法，所述调控方法包括如下步骤：首先，将激光阵列分成两类组合的子光束对，每一子光束对的两子光束间存在角频率差，这一角频率差的产生可以是采用初始工作波长不同的激光束作为子光束，也可以是对子光束进行时间相位调制后引入子光束间的延迟导致的。然后，利用偏振控制板使两子光束分别变换成偏振正交的线偏振光，进而利用面形各异的连续相位板来进行空间相位调控，并使所有子光束在焦平面进行叠加。最后，由于各个子光束的频率和偏振不同，叠加后焦平面光场内部的散斑实现强度高速随机扫动、偏振高速旋转。
进一步地，所述角频率差在62.8×109rad/s至62.8×1012rad/s之间，以使焦平面光场内部散斑的随机扫动周期为亚皮秒或皮秒时间尺度。
进一步地，所述面形各异的连续相位板，可以是采用设计目标参数相同但面形不同的CPP，也可以采用面形相同但放置方式不同的CPP，从而使得各个子光束在焦平面的光斑包络一致但内部散斑形态不同。
进一步地，所述光场调控方法中，由于各个子光束的偏振正交、存在角频率差和空间相位调制不同，其叠加光场的散斑发生高速随机扫动，同时偏振高速旋转。
进一步地，所述设计中，每一子光束在经过连续相位板和偏振控制板后，其在透镜前的光场分布可以表示为：
式中，E0为初始光场振幅，ΦCPPn为子束n所受到的连续相位板相位调制，ωn为子束n的中心角频率，αn为x方向与y方向偏振分量之间的相位延迟，
进一步地，每一子光束经透镜聚焦后在焦平面的光场分布可表示为：
式中，k＝2π/λ为波矢，λ为波长，f为透镜焦距，(x,y)和(x′,y′)分别为近场和远场(远场即为焦平面)的坐标。
进一步地，可将公式(2)写作：
式中，
进一步地，以4个子光束组成的激光阵列为例，假设子光束1,2,3,4之间的角频率差满足：Δω1,3＝ω3-ω1＝Δω2,4＝ω2-ω4，Δω1,2＝ω2-ω1＝Δω3,4＝ω4-ω3，子光束1,2,3,4在焦平面的振幅相等|Ef,1|＝|Ef,2|＝|Ef,3|＝|Ef,4|＝Ef，各个子光束的x方向与y方向偏振分量的相位延迟满足α1＝π/2，α2＝-π/2，α3＝π/2，α4＝-π/2，于是，由公式(3)可得到4个子光束在焦平面的叠加光场分布为：
进一步地，由公式(4)和(5)可得到4个子光束在焦平面叠加光场的光强分布为：
进一步地，由公式(6)可得到4个子光束在焦平面叠加光场的光强分布随积分时间Δt的变化公式为：
进一步地，由公式(4)、(5)可以得到由四子光束组成的集束在远场的x与y偏振方向的光强比值为：
进一步地，由公式(6)与(7)可以看出，4个子光束在焦平面叠加后的光场，其光强分布随时间发生快速变化，这一快速变化引起光场内部散斑的随机扫动，且扫动频率等于Δω1,3。
进一步地，由公式(8)并结合Δω1,2＝ω2-ω1＝Δω3,4＝ω4-ω3可以看出，4个子光束在焦平面叠加后的光场，其x方向与y方向偏振分量的比值随时间发生变化，亦即其偏振随时间高速旋转，旋转频率等于2Δω1,2。
进一步地，通过调节子光束之间的角频率差Δω1,3和Δω1,2，可以使得焦平面光场内部散斑的扫动周期和偏振旋转周期均在亚皮秒或皮秒时间尺度。
本发明所述的使散斑高速随机扫动和偏振高速旋转的光场调控方法，可通过对激光阵列中各个子光束的中心频率、偏振和空间相位的调控，实现焦平面光场内部散斑的高速随机扫动和偏振的高速旋转，以在提高辐照均匀性的同时抑制激光与等离子体相互作用所产生的背向散射。
本发明所述的使散斑高速随机扫动和偏振高速旋转的光场调控方法，还可与主流的光谱角色散匀滑技术联用，以进一步改善焦平面光场的辐照均匀性。
本发明所述的使散斑高速随机扫动和偏振高速旋转的光场调控方法，具有简单易行、不插入额外光学元件和不改变现有ICF装置光路结构的特点。
本发明与现有技术相比所具有的优点及有益的技术效果如下：
1.本发明首次提出了同时实现散斑高速随机扫动和偏振高速旋转的光场调控方法，且其散斑扫动周期和偏振旋转周期均为亚皮秒或皮秒时间尺度。
2.本发明所述的使散斑高速随机扫动和偏振高速旋转的光场调控方法，与主流的SSD、CPP和PS相比，能够在亚皮秒或皮秒时间尺度内改善焦平面光场辐照均匀性，并有效地抑制激光在等离子体中的背向散射。
以上说明仅仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可按说明书的内容予以实施，以下为本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如下。
附图说明
图1为本发明所述的使散斑高速随机扫动和偏振高速旋转的光场调控方法用于ICF装置的示意图；
图2为本发明所述的光场调控方法中各子光束经过面形各异CPP的实现方式示意图，(a)设计目标参数相同但面形各异的CPP，(b)CPP面形相同但其放置方式各异；
图3为子光束经过设计目标参数相同但面形各异的CPP后，积分时间为1ps时在焦平面的光强分布图；
图4为子光束经过面形相同但放置方式不同的CPP后，积分时间为1ps时在焦平面的光强分布图；
图5为本发明所述的使散斑高速随机扫动和偏振高速旋转的光场调控方法用于ICF装置时，当子光束1,3之间的角频率差为6.28×1013rad/s时，(a)焦平面光场的FOPAI曲线，(b)光通量对比度随积分时间的变化规律；
图6为本发明所述的使散斑高速随机扫动和偏振高速旋转的光场调控方法用于ICF装置时，焦平面光场典型位置处x方向与y方向偏振分量随时间的变化曲线，(a)子光束1,2间的角频率差为4.32×1012rad/s，(b)子光束1,2间的角频率差为1.96×1013rad/s。
图1中，1入射激光束阵列，2连续相位板阵列，3偏振控制版阵列，4楔形透镜阵列，5焦平面。
实施方式
下面结合附图并用实施例对本发明的实施方式做进一步详细描述，有必要在此指出的是所述实施例只是用于对本发明的进一步描述，而并不意味着对本发明保护范围的任何限定。
实施例
图1为本发明所述使散斑高速随机扫动和偏振高速旋转的光场调控方法用于ICF装置的示意图。图1中激光阵列中的四个子束依次经过CPP阵列以及PCP阵列后，最后经楔形透镜阵列聚焦到焦平面。其中，利用CPP阵列对激光阵列中各个子束进行空间相位调控，利用PCP阵列将各个子束的偏振变换成x轴夹角±45°方向的线偏振光，每一个子束均包含x方向与y方向偏振分量。因此，四个子束在焦平面进行叠加后，由于角频率差的作用、空间相位和偏振的调控，焦平面光场内部散斑随时间高速随机扫动，且其偏振高速旋转。
图2为本发明所述的光场调控方法中各子光束经过面形各异CPP的实现方式示意图，包括两种实现途径：(a)采用四块设计目标参数一致，但其面形不同的CPP；(b)采用面形相同的CPP，但改变其放置方式，比如平移、翻转、反向等，使得各子束所受到的空间相位调制有所差异。
图3～图4分别给出了子光束1,3之间的角频率差为6.28×1013rad/s时，各子光束经过两种面形各异的CPP实现方式后，积分时间为1ps时在焦平面的光强分布图。
图3给出了子光束1,3之间的角频率差为6.28×1013rad/s时，各子光束经过所述图2(a)中面形各异的CPP实现方式后，当积分时间为1ps时在焦平面的光强分布图。
图4给出了子光束1,3之间的角频率差为6.28×1013rad/s时，各子光束经过所述图2(b)中面形各异的CPP实现方式后，当积分时间为1ps时在焦平面的光强分布图。
为定量分析焦平面光强均匀性的改善程度，采用光强的光通量对比度与FOPAI曲线来评价，光通量对比度越小表明光强均匀性越好，而FOPAI曲线中相同强度下占比越低光强均匀性越好，其计算公式如下：
式中，Ii,j(x,y)为光强(x,y)位置处的光强，
图3所示，各子束经过所述图2(a)中面形各异的CPP实现方式后，其光强对比度及其光斑包络基本一致，而其光强内部散斑分布各异，能够在满足聚变点火装置中对靶面光斑包络控制的要求的同时引入各异的CPP调制相位。
图4所示，各子束经过所述图2(b)中面形各异的CPP实现方式后，其光强对比度及其光斑包络基本一致，而其光强内部散斑分布各异，能够在满足聚变点火装置中对靶面光斑包络控制的要求的同时引入各异的CPP调制相位。
图5～图6对实施例中的使散斑高速随机扫动和偏振高速旋转的光场调控方法用于ICF装置时，对光强均匀性的改善效果和及其偏振调控效果进行了展示。图中结果充分说明了本发明所述的快速旋转光场调控方法的有效性和可行性。
图5所示，当子光束1，3之间的角频率差为6.28×1013rad/s时，在两种面形各异CPP实现方式下，使散斑高速随机扫动和偏振高速旋转的光场调控方法均能在极短的时间内大大降低光强对比度，提高靶面辐照均匀性。并且，其子光束1,3的角频率差决定了其对比度的下降速率，但并不改变焦平面最终对比度高低。
图6所示，给出了当子光束1，2间的角频率差分别为4.32×1012rad/s和1.96×1013rad/s时，焦平面光场典型位置处x方向与y方向偏振分量随时间的变化曲线。可以看到，在使散斑高速随机扫动和偏振高速旋转的光场调控方法的作用下，其焦平面光场典型位置处x方向与y方向偏振分量随时间快速变化，且其变化速率取决于子光束1，2间的角频率差。角频率差越大，其变化周期越短。角频率差分别为4.32×1012rad/s和1.96×1013rad/s时，对应的变化周期为1.45ps，0.32ps。
