文章來(lái)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
國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF）[2] 先進(jìn)射線照相能力（ARC）[1]項(xiàng)目旨在產(chǎn)生70-100keV范圍內(nèi)的高能、超快的x射線，用于背光NIF目標(biāo)。啁啾脈沖放大（CPA）激光系統(tǒng)將以1ps至50ps的可控脈沖持續(xù)時(shí)間產(chǎn)生千焦脈沖。系統(tǒng)復(fù)雜性需要復(fù)雜的仿真和建模工具，用于設(shè)計(jì)、性能預(yù)測(cè)和對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的理解。我們提供了ARC的簡(jiǎn)要概述，介紹我們主要建模工具，并描述重要的性能預(yù)測(cè)。
激光系統(tǒng)（圖1）由全光纖前端組成，包括啁啾光纖布拉格光柵（CFBG）延伸器。通過(guò)最后的光纖放大器后，光束被分開(kāi)到兩個(gè)孔徑并且在空間上成形。分束光首先產(chǎn)生再生放大器，然后在多通道釹玻璃放大器中放大[3]。接下來(lái)，將預(yù)放大的啁啾脈沖在時(shí)間上分成四個(gè)相同的脈沖并注入到一個(gè)NIF Quad。在NIF束線的輸出處，八個(gè)放大的脈沖中的每一個(gè)在單獨(dú)的折疊的四光柵壓縮器中被壓縮。壓縮器光柵對(duì)具有略微不同的溝槽密度，以實(shí)現(xiàn)緊湊的折疊幾何形狀并消除相鄰的光束串?dāng)_。脈沖持續(xù)時(shí)間可在前端使用小型機(jī)架安裝式壓縮機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
我們使用非序列光線追跡軟件FRED [4]，用于光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和布局。目前，我們的FRED模型包括從光纖前端到目標(biāo)中心（圖2）。CAD設(shè)計(jì)的光機(jī)部件導(dǎo)入我們的FRED模型，以提供一個(gè)完整的系統(tǒng)描述。除了非相干光線追跡和散射分析，F(xiàn)RED使用高斯光束分解來(lái)模擬相干光束傳播。忽略非線性效應(yīng)，我們可以獲得系統(tǒng)不同時(shí)期的ARC光束的幾乎完整的頻域描述。
我們采用基于3D傅里葉的傳播軟件：MIRO [5]、Virtual Beamline（VBL）[6]和PROP [7]，可用于時(shí)域脈沖分析。這些軟件模擬非線性效應(yīng)，計(jì)算近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)光束分布，并考慮放大器增益。 正確的系統(tǒng)設(shè)置的驗(yàn)證是使用這些軟件的主要難點(diǎn)。VBL和PROP預(yù)測(cè)已經(jīng)廣泛用于NIF實(shí)驗(yàn)，同時(shí)特定NIF光束線的驗(yàn)證的描述已經(jīng)用于ARC。MIRO具有處理CPA的帶寬特定效應(yīng)的附加能力。NIF光束線的樣本MIRO模型如圖3所示。MIRO模型在窄帶寬模式下被基準(zhǔn)化為VBL和PROP。
開(kāi)發(fā)各種模擬工具使我們對(duì)不同模型的預(yù)測(cè)進(jìn)行交叉檢查，并增加其可信度。目前正在進(jìn)行的初步實(shí)驗(yàn)使我們能夠驗(yàn)證和改進(jìn)我們的模型，并幫助指導(dǎo)未來(lái)的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。
圖1.突出顯示了CPA結(jié)構(gòu)的一個(gè)獨(dú)特形式的ARC系統(tǒng)的概略圖，在一個(gè)NIF光束線中產(chǎn)生兩個(gè)強(qiáng)脈沖
圖2.ARC系統(tǒng)的FRED模型提供一個(gè)系統(tǒng)級(jí)概述和各個(gè)組件的描述
圖3.ARC的MIRO模型具有物理光學(xué)系統(tǒng)的描述
這項(xiàng)工作由美國(guó)能源部主持，根據(jù)合約DE-AC52-07NA27344在勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室實(shí)施。
參考文獻(xiàn)
[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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