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)
6%&w\<(SG GbC JG qOR 免責(zé)聲明 |j$ $0N W:2j.K9! 本文是為美國政府的一個機(jī)構(gòu)發(fā)起的工作報告而準(zhǔn)備的。美國政府或勞倫斯•利弗莫爾國家安全有限責(zé)任公司及其員工，均不作任何明示或暗示的保證，或?qū)τ谒嘎兜娜魏涡畔�、設(shè)備、產(chǎn)品或過程的準(zhǔn)確性、完整性或有用性承擔(dān)任何法律責(zé)任或義務(wù)，或表示其使用不會侵犯私有權(quán)。本文中以商業(yè)名稱、商標(biāo)、制造商或其他方式提及的任何特定商業(yè)產(chǎn)品、過程或服務(wù)不一定表明或暗示其得到美國政府或勞倫斯•利弗莫爾國家安全有限責(zé)任公司的認(rèn)可、推薦或贊同。本文所表達(dá)的作者的觀點(diǎn)和意見不一定表述或反映美國政府或勞倫斯•利弗莫爾國家安全有限責(zé)任公司的看法和見解，不得用于廣告或產(chǎn)品宣傳的目的。
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w2^ 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
:,'.b|Tl.b }O6E5YCm 國家點(diǎn)火裝置（NIF）[2] 先進(jìn)射線照相能力（ARC）[1]項目旨在產(chǎn)生70-100keV范圍內(nèi)的高能、超快的x射線，用于背光NIF目標(biāo)。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(fù)雜性需要復(fù)雜的仿真和建模工具，用于設(shè)計、性能預(yù)測和對實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yù)測。
`O?j -zR S Fqq(K2u 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(yù)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(dú)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(shí)現(xiàn)緊湊的折疊幾何形狀并消除相鄰的光束串?dāng)_。脈沖持續(xù)時間可在前端使用小型機(jī)架安裝式壓縮機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
1EliR uJ M7(]NQ\TQ 我們使用非序列
光線追跡軟件FRED [4]，用于
光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計和布局。目前，我們的FRED模型包括從光纖前端到目標(biāo)中心（圖2）。CAD設(shè)計的光機(jī)部件導(dǎo)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(yīng)，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。
Q1 DiEg tz%H1 ` 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(yīng)，計算近場和遠(yuǎn)場光束分布，并考慮放大器增益。 正確的系統(tǒng)設(shè)置的驗(yàn)證是使用這些軟件的主要難點(diǎn)。VBL和PROP預(yù)測已經(jīng)廣泛用于NIF實(shí)驗(yàn)，同時特定NIF光束線的驗(yàn)證的描述已經(jīng)用于ARC。MIRO具有處理CPA的帶寬特定效應(yīng)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(zhǔn)化為VBL和PROP。
t&G #% P0- K/_g 開發(fā)各種模擬工具使我們對不同模型的預(yù)測進(jìn)行交叉檢查，并增加其可信度。目前正在進(jìn)行的初步實(shí)驗(yàn)使我們能夠驗(yàn)證和改進(jìn)我們的模型，并幫助指導(dǎo)未來的實(shí)驗(yàn)活動。
1]7v 3m 圖1.突出顯示了CPA結(jié)構(gòu)的一個獨(dú)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(qiáng)脈沖
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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
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圖3.ARC的MIRO模型具有物理光學(xué)系統(tǒng)的描述 k,r}X:<6jz
2 :6lr4{uY 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(shí)驗(yàn)室實(shí)施。
e~$aJO@B.R 2K{)8 ;^ 參考文獻(xiàn) |b|bL 7nx '5P:;zw [1] C.P.J. Barty, et. al., “An overview of LLNL high energy short pulse technology for advanced
8o P"?ew# radiography of laser fusion experiments,” Nucl. Fusion, 44, S266‐275 (2006).
S$nEflcz [2] C. A. Haynman, et al., “National Ignition Facility laser performance status,” Appl. Opt. 46, 3276‐3303 (2007) .
I -V=Z: [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'L.I%#tZ [4] FRED by Photon Engineering.
fvoPV &: [5] Olivier Morice, “Miro: Complete modeling and software for pulse amplification and propagation in high‐power laser systems,” Opt. Eng. 42, 1530 (2003).
t\-;n:p- [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).
ZV~9{E8 [7] W. H. Williams et al., ‘‘Optical propagation modeling,’’ Proc. SPIE 5341, 66‐72 (2004).
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