带有自适应光学系统的ICF装置光束传输程序

　　多年来,研究人员利用数值仿真的方法来设计和优化激光系统,为实际建立大型激光装置打好基础。例如美国就为其国家点火装置(NIF)计划建立了一整套软件系统,包括CHAINOP,BTGAIN和PROP92[1];国内张彬等也为惯性约束聚变(ICF)装置建立了相应的仿真软件[2]。这些软件的出现为更有效的估计激光器的性能极限、优化激光器的系统构架、分析实验现象等打好基础。然而,上述软件更多的是优化激光器本身参数和结构,很少涉及作为ICF装置中的重要组成部分———自适应波前校正系统,合理的利用波前校正可以大大提高ICF装置的输出功率和光强集中度,同时降低装置中光学器件的设计要求,降低整体装置的成本。为此,我们编制了含自适应光学校正的ICF仿真软件,并按功能模块分别与国内外已发表的文献结果和专业软件的结果进行了比较,验证了软件系统的可靠性,为优化自适应光学在ICF装置中的应用作基础。

　　1　仿真模型

　　目前国内外较有代表性和影响力的ICF装置大多采用多程固体激光放大器结构,结构模型类似美国的Beamlet系统[3],如图1所示。系统含有主放和助放两个放大器组件,注入的光束经4次主放和1次助放后输出,经倍频系统后打靶。从系统的结构不难看出,典型的ICF装置仿真软件应含有光传播模型(包括光在真空的传播和光在非线性介质的传播两种情况,可以用含像差的光束在介质中的传播方程描述)和光放大模型,并且光的传播及放大都将涉及3维空间结构和1维时间分布。另外,含畸变波前的光束可能对倍频有影响,因此,软件还涉及到光波倍频。最后就是软件的重点自适应光学模型。所以,软件总体可以用图2所示的结构框图表示,入射到ICF装置的弱光经装置内的放大系统和校正系统后进入倍频器,输出的3倍频光波经相位板调制后聚焦到靶上。

　　1.1　光传输模型

　　光波A在介质或真空中的传播可以精确地描述为

式中:k0=n0ω/c,c是光速,ω是入射光频率,n0是介质中的折射率;n2是非线性折射率。当方程右边为零时,方程(1)描述的就是光在真空中的传播。解方程(1)的关键在于采用对称分裂算符[4],其通解表达为

式中:利用对称分裂算符可得

 (3)

又知,光在真空中传播的波动方程为

其解可以表达为

　　所以根据式(3),方程(1)的数值解可以通过如下步骤得出。第一步只考虑衍射过程,传输距离为Δz/2,然后考虑全z的非线性效应,最后再考虑后Δz/2的衍射。只要Δz足够小,则采用上述近似算法得到的结果是准确可靠的[5]。

　　1.2　增益模型

　　一般认为光在增益介质中的传播,可以利用速率方程描述[6],或称F-N(Frantz-Nodvik)方程。忽略非线性损耗时,方程可以表示为