文章來源：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
國家點火裝置（NIF）[2] 先進射線照相能力（ARC）[1]項目旨在產(chǎn)生70-100keV范圍內的高能、超快的x射線，用于背光NIF目標。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)時間產(chǎn)生千焦脈沖。系統(tǒng)復雜性需要復雜的仿真和建模工具，用于設計、性能預測和對實驗結果的理解。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(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。通過最后的光纖放大器后，光束被分開到兩個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，將預放大的啁啾脈沖在時間上分成四個相同的脈沖并注入到一個NIF Quad。在NIF束線的輸出處，八個放大的脈沖中的每一個在單獨的折疊的四光柵壓縮器中被壓縮。壓縮器光柵對具有略微不同的溝槽密度，以實現(xiàn)緊湊的折疊幾何形狀并消除相鄰的光束串擾。脈沖持續(xù)時間可在前端使用小型機架安裝式壓縮機進行調節(jié)。
我們使用非序列光線追跡軟件FRED [4]，用于光學系統(tǒng)的設計和布局。目前，我們的FRED模型包括從光纖前端到目標中心（圖2）。CAD設計的光機部件導入我們的FRED模型，以提供一個完整的系統(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模擬相干光束傳播。忽略非線性效應，我們可以獲得系統(tǒng)不同時期的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]，可用于時域脈沖分析。這些軟件模擬非線性效應，計算近場和遠場光束分布，并考慮放大器增益。 正確的系統(tǒng)設置的驗證是使用這些軟件的主要難點。VBL和PROP預測已經(jīng)廣泛用于NIF實驗，同時特定NIF光束線的驗證的描述已經(jīng)用于ARC。MIRO具有處理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VBL和PROP。
開發(fā)各種模擬工具使我們對不同模型的預測進行交叉檢查，并增加其可信度。目前正在進行的初步實驗使我們能夠驗證和改進我們的模型，并幫助指導未來的實驗活動。
圖1.突出顯示了CPA結構的一個獨特形式的ARC系統(tǒng)的概略圖，在一個NIF光束線中產(chǎn)生兩個強脈沖
圖2.ARC系統(tǒng)的FRED模型提供一個系統(tǒng)級概述和各個組件的描述
圖3.ARC的MIRO模型具有物理光學系統(tǒng)的描述
這項工作由美國能源部主持，根據(jù)合約DE-AC52-07NA27344在勞倫斯利弗莫爾國家實驗室實施。
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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