百千焦耳裝置集束驗證平臺的背向散射光診斷系統

陳銘 徐濤 劉永剛 劉欣城

摘? 要：為在百千焦耳裝置集束驗證平臺上開展LPI實驗研究，建設了基于集束模式的散射光診斷系統。該診斷系統使用大口徑漫反射板作為主要攔光、反射、取樣元部件，利用成像方式將漫反射板分別成像至門控相機等記錄部件，采取取樣測量方式得到散射光空間分布、能量大小及光譜等參量。在集束首輪物理實驗中，該系統獲得了較完備的物理數據。

關鍵詞：散射光? 漫反射板? 成像? 幾何光學

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

為實現點火，用于慣性約束聚變研究（ICF）的激光裝置需要兆焦耳級的輸出能量。在單個子束負載能力有限的情況下，需要多個子束聯合成集束并共用終端聚焦的方式進行激光注入和打靶，這是包括美國NIF和法國LMJ裝置共同的特點[1-3]。

現階段中國百千焦耳激光裝置已建成集束設計打靶驗證平臺。由于集束打靶區別于現有激光裝置的幾何光學排布，有必要開展相應的激光等離子體相互作用（LPI）實驗研究，特別是散射光性質的研究。這類散射光來源于激光與金腔、充氣氣體區及靶丸殼層飛散等離子體的相互作用[4]，會造成激光能量耗散、預熱內爆靶丸、破壞輻射場對稱性等負面問題，需加以控制[5-6]。LPI研究中，必須對不同裝置建設相應的散射光診斷系統，實現對散射光能量大小、光譜性質等物理參量的測量，給數值模擬計算程序提供準確的LPI基礎數據，便于開展點火實驗設計[7-8]。

該文介紹了集束驗證平臺的基本結構，闡述了散射光診斷系統的設計思路和具體構成，并給出了集束平臺首輪LPI實驗的散射光測量結果。

1? 集束平臺簡介

集束平臺使用了100 kJ激光裝置的A1束組作為激光輸入，8個子束合而為一。平臺利用新的光學傳遞反射鏡組及聚焦終端光學組件，將基頻激光（波長1 053 nm）經過傳輸反射鏡的反射后導入集束的靶場中，經過編組后形成“九宮格”的排列，具體見圖1。各子束激光陣列進入同一終端光學組件，其中包含有使激光倍頻成3倍頻（波長為351 nm）的激光晶體和取樣光柵等光學元件，最后經由8塊楔形打靶透鏡將不同子束的激光會聚至真空靶室中心。剩余的基頻和二倍頻激光的焦點則偏離靶室中心，并繼續向后傳輸直至被較遠處的吸收陣列吸收。打靶透鏡有效通光口徑為360 mm×360 mm，焦距為12 m，采用連續相位板（CPP）勻滑后聚焦光斑直徑為700 μm，單子束能量為3 750 J/3 ns。子束的光束狀態單獨可調整，包括聚焦光斑位置、部分束勻滑方式等。

2? 散射光診斷系統

2.1 總體結構

中國100 kJ激光裝置配備的散射光診斷系統使用金屬大口徑反射鏡反射并會聚散射光（包括近背向和全孔徑背向）的光路設計[9]。由于金屬反射鏡損傷閾值較低且整體光路龐大，該設計在集束模式下不再適用。為此我們研制了一個基于朗伯漫反射板的新散射光診斷系統，用于研究背向傳播的受激布里淵散射（SBS，光譜范圍（351±2）nm）和受激拉曼散射（SRS，光譜范圍400～700 nm）。系統采用成像測量方式記錄散射光空間分布圖像，利用圖像強度間接給出散射光的能量;采用取樣測量方式，測量散射光光譜信息。

由于散射光為激光傳輸的背向傳播，為不阻擋和干擾打靶激光，散射光診斷分為測量激光光束口徑外的近背向散射光診斷系統和激光光束口徑內的全孔徑背向散射光診斷系統。由于采用集束打靶模式，子束光束間也存在部分散射光，因此按照各自測量目標和功能劃分，集束散射光診斷系統增加為3個分系統：位于1.2 m直徑靶室內部的近背向散射光診斷分系統1號（NBS1），用于測量集束光束口徑外的散射光;位于真空連接錐桶段內的近背向散射光診斷分系統2號（NBS2），用于測量子束間的散射光;位于激光器傳輸反射鏡后的全孔徑背向散射光診斷分系統（FABS），用于測量子束光束內部的散射光。

每個子系統均采用一塊特別形狀的平面漫反射板攔截并反射散射光，該板采用labsphere公司的Spectralon反射標準板，SBS及SRS波段內反射率≥99%，有效損傷閾值預估為3 J/cm2。