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
國家(jiā)點火(huǒ)裝置（NIF）[2] 先進射線照相能力（ARC）[1]項目旨在産生(shēng)70-100keV範圍內(nèi)的高(gāo)能、超快的x射線，用于背光NIF目标。啁啾脈沖放大(dà)（CPA）激光系統将以1ps至50ps的可(kě)控脈沖持續時(shí)間(jiān)産生(shēng)千焦脈沖。系統複雜性需要複雜的仿真和(hé)建模工具，用于設計(jì)、性能預測和(hé)對實驗結果的理(lǐ)解。我們提供了ARC的簡要概述，介紹我們主要建模工具，并描述重要的性能預測。
激光系統（圖1）由全光纖前端組成，包括啁啾光纖布拉格光栅（CFBG）延伸器(qì)。通(tōng)過最後的光纖放大(dà)器(qì)後，光束被分開(kāi)到兩個(gè)孔徑并且在空(kōng)間(jiān)上(shàng)成形。分束光首先産生(shēng)再生(shēng)放大(dà)器(qì)，然後在多(duō)通(tōng)道(dào)钕玻璃放大(dà)器(qì)中放大(dà)[3]。接下來(lái)，将預放大(dà)的啁啾脈沖在時(shí)間(jiān)上(shàng)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(dà)的脈沖中的每一個(gè)在單獨的折疊的四光栅壓縮器(qì)中被壓縮。壓縮器(qì)光栅對具有(yǒu)略微不同的溝槽密度，以實現緊湊的折疊幾何形狀并消除相鄰的光束串擾。脈沖持續時(shí)間(jiān)可(kě)在前端使用小(xiǎo)型機架安裝式壓縮機進行(xíng)調節。
我們使用非序列光線追迹軟件FRED [4]，用于光學系統的設計(jì)和(hé)布局。目前，我們的FRED模型包括從光纖前端到目标中心（圖2）。CAD設計(jì)的光機部件導入我們的FRED模型，以提供一個(gè)完整的系統描述。除了非相幹光線追迹和(hé)散射分析，FRED使用高(gāo)斯光束分解來(lái)模拟相幹光束傳播。忽略非線性效應，我們可(kě)以獲得(de)系統不同時(shí)期的ARC光束的幾乎完整的頻域描述。
我們采用基于3D傅裏葉的傳播軟件：MIRO [5]、Virtual Beamline（VBL）[6]和(hé)PROP [7]，可(kě)用于時(shí)域脈沖分析。這些(xiē)軟件模拟非線性效應，計(jì)算(suàn)近場(chǎng)和(hé)遠場(chǎng)光束分布，并考慮放大(dà)器(qì)增益。 正确的系統設置的驗證是使用這些(xiē)軟件的主要難點。VBL和(hé)PROP預測已經廣泛用于NIF實驗，同時(shí)特定NIF光束線的驗證的描述已經用于ARC。MIRO具有(yǒu)處理(lǐ)CPA的帶寬特定效應的附加能力。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化為(wèi)VBL和(hé)PROP。
開(kāi)發各種模拟工具使我們對不同模型的預測進行(xíng)交叉檢查，并增加其可(kě)信度。目前正在進行(xíng)的初步實驗使我們能夠驗證和(hé)改進我們的模型，并幫助指導未來(lái)的實驗活動。
圖1.突出顯示了CPA結構的一個(gè)獨特形式的ARC系統的概略圖，在一個(gè)NIF光束線中産生(shēng)兩個(gè)強脈沖
圖2.ARC系統的FRED模型提供一個(gè)系統級概述和(hé)各個(gè)組件的描述
圖3.ARC的MIRO模型具有(yǒu)物理(lǐ)光學系統的描述
這項工作(zuò)由美國能源部主持，根據合約DE-AC52-07NA27344在勞倫斯利弗莫爾國家(jiā)實驗室實施。
參考文獻
[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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