百千焦耳装置集束验证平台的背向散射光诊断系统

陈铭 徐涛 刘永刚 刘欣城

摘  要：为在百千焦耳装置集束验证平台上开展LPI实验研究，建设了基于集束模式的散射光诊断系统。该诊断系统使用大口径漫反射板作为主要拦光、反射、取样元部件，利用成像方式将漫反射板分别成像至门控相机等记录部件，采取取样测量方式得到散射光空间分布、能量大小及光谱等参量。在集束首轮物理实验中，该系统获得了较完备的物理数据。

关键词：散射光  漫反射板  成像  几何光学

Abstract： For the sake of carrying out the laser plasma interaction （LPI） experimental research on the cluster testing platform of the hundred kilojoule laser facility， a backscattered light diagnostic system based on the cluster mode is constructed. The diagnostic system uses several large aperture diffuse plates as the main light blocking， reflecting and sampling components. The diffuse plates are then imaged to the gating camera and other recording components by imaging the integral data in a proper gate time. The spatial distribution， energy and spectrum of backscattered light are obtained by sampling measurement. In the first round of cluster physics experiment， the system has obtained relatively complete physical data.

Key Words： Backscattered light; Diffuse plate; Imaging; Geometric optics

为实现点火，用于惯性约束聚变研究（ICF）的激光装置需要兆焦耳级的输出能量。在单个子束负载能力有限的情况下，需要多个子束联合成集束并共用终端聚焦的方式进行激光注入和打靶，这是包括美国NIF和法国LMJ装置共同的特点[1-3]。

现阶段中国百千焦耳激光装置已建成集束设计打靶验证平台。由于集束打靶区别于现有激光装置的几何光学排布，有必要开展相应的激光等离子体相互作用（LPI）实验研究，特别是散射光性质的研究。这类散射光来源于激光与金腔、充气气体区及靶丸壳层飞散等离子体的相互作用[4]，会造成激光能量耗散、预热内爆靶丸、破坏辐射场对称性等负面问题，需加以控制[5-6]。LPI研究中，必须对不同装置建设相应的散射光诊断系统，实现对散射光能量大小、光谱性质等物理参量的测量，给数值模拟计算程序提供准确的LPI基础数据，便于开展点火实验设计[7-8]。

该文介绍了集束验证平台的基本结构，阐述了散射光诊断系统的设计思路和具体构成，并给出了集束平台首轮LPI实验的散射光测量结果。

1  集束平台简介

集束平台使用了100 kJ激光装置的A1束组作为激光输入，8个子束合而为一。平台利用新的光学传递反射镜组及聚焦终端光学组件，将基频激光（波长1 053 nm）经过传输反射镜的反射后导入集束的靶场中，经过编组后形成“九宫格”的排列，具体见图1。各子束激光阵列进入同一终端光学组件，其中包含有使激光倍频成3倍频（波长为351 nm）的激光晶体和取样光栅等光学元件，最后经由8块楔形打靶透镜将不同子束的激光会聚至真空靶室中心。剩余的基频和二倍频激光的焦点则偏离靶室中心，并继续向后传输直至被较远处的吸收阵列吸收。打靶透镜有效通光口径为360 mm×360 mm，焦距为12 m，采用连续相位板（CPP）匀滑后聚焦光斑直径为700 μm，单子束能量为3 750 J/3 ns。子束的光束状态单独可调整，包括聚焦光斑位置、部分束匀滑方式等。

2  散射光诊断系统

2.1 总体结构

中国100 kJ激光装置配备的散射光诊断系统使用金属大口径反射镜反射并会聚散射光（包括近背向和全孔径背向）的光路设计[9]。由于金属反射镜损伤阈值较低且整体光路庞大，该设计在集束模式下不再适用。为此我们研制了一个基于朗伯漫反射板的新散射光诊断系统，用于研究背向传播的受激布里渊散射（SBS，光谱范围（351±2）nm）和受激拉曼散射（SRS，光谱范围400～700 nm）。系统采用成像测量方式记录散射光空间分布图像，利用图像强度间接给出散射光的能量;采用取样测量方式，测量散射光光谱信息。

由于散射光为激光传输的背向传播，为不阻挡和干扰打靶激光，散射光诊断分为测量激光光束口径外的近背向散射光诊断系统和激光光束口径内的全孔径背向散射光诊断系统。由于采用集束打靶模式，子束光束间也存在部分散射光，因此按照各自測量目标和功能划分，集束散射光诊断系统增加为3个分系统：位于1.2 m直径靶室内部的近背向散射光诊断分系统1号（NBS1），用于测量集束光束口径外的散射光;位于真空连接锥桶段内的近背向散射光诊断分系统2号（NBS2），用于测量子束间的散射光;位于激光器传输反射镜后的全孔径背向散射光诊断分系统（FABS），用于测量子束光束内部的散射光。

每个子系统均采用一块特别形状的平面漫反射板拦截并反射散射光，该板采用labsphere公司的Spectralon反射标准板，SBS及SRS波段内反射率≥99%，有效损伤阈值预估为3 J/cm2。