[发明专利]大视场向心辐照高能聚光器及设计方法

说明书

本发明涉及一种基于高损伤阈值激光材料的大视场向心辐照高能聚光器及其设计方法，可用于锥靶ICF实验中，以解决由于锥靶结构导致的辐照激光入射角度受限的问题。该装置具有一个侧面和前后两个球状折射面，两个球状折射面同轴，该聚光器的制作使用高损伤阈值的晶体。在锥靶ICF实验中，原本处于锥靶空间立体角以外，受最大入射角度的限制无法入射到靶丸的光束，经过所述的大视场向心辐照高能聚光器后，可以满足锥靶对于入射角度的要求，仍然以向心辐照的方式入射到靶丸上，在保证光束向心性和辐照均匀性的同时，解决了锥靶ICF实验中辐照光束的入射角度受限问题。

技术领域

本发明涉及聚光器技术领域，特别是一种适合用于高功率激光领域的大视场向心辐照高能聚光器及其设计方法。

背景技术

激光惯性约束聚变(ICF)对于高能物理研究以及未来清洁能源的开发具有重要意义。在激光惯性约束聚变中，需要将具有高能量的激光脉冲聚焦于靶丸上，来实现对靶丸的压缩，使靶丸内部达到发生聚变反应所需要的高温高压的条件。在激光辐照靶丸的过程中，产生的等离子体冕区会与入射的激光发生相互作用，导致激光能量的耗散，进而使激光与靶丸之间的能量耦合效率降低。

前期的研究证明，相比于常规的平面靶和球形靶，锥型靶能够有效提高激光与靶丸之间的耦合效率。由于锥靶具有一定的立体角，因此只有位于锥靶立体角以内的光束可以进入锥靶，处于锥靶立体角以外的光束，则无法进入锥靶。由此可见，锥靶的结构限制了辐照光束的入射角度，使得最终作用于靶丸的光束数量受到限制，进而限制了注入靶丸的激光能量，导致ICF激光装置的输出能力无法得到充分利用。为了在提高束靶耦合效率的同时，充分发挥激光装置的输出能力，将尽可能多的能量注入到靶丸中，寻找一种可以在不改变现有靶室激光排布以及不影响光束向心性和辐照均匀性的前提下，解决锥靶ICF实验中激光入射角度受限问题的方案是十分必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种大视场向心辐照高能聚光器的设计方法，以解决锥靶ICF实验中，辐照光束入射角度受到锥靶立体角限制的问题。

本发明的技术方案是：

一种大视场向心辐照高能聚光器，其特征在于，

该装置具有两个同轴球状折射面(如图1(a)所示)，其中第一折射面1为凸球面，第二折射面2为凹球面，且两个球面同轴。光束在进入聚光器时，通过第一个面1的折射，使原本处于锥靶立体角以外的光束进入到锥靶立体角以内，并通过第二个面2的折射，使入射的光束最终能够满足锥靶对光束入射角度的要求，提高最终注入靶丸的激光能量；

进一步的，该装置在改变光束注入角度的同时，不改变光束的聚焦位置，使光束在经过调整后仍然保持原来向心的状态；

进一步的，考虑到ICF实验中的高能量，本发明采用具有高损伤阈值的材料，如LBO晶体等。

本发明还提供一种聚光器件的设计方法，包含以下步骤：

(1)根据使用的实际情况，确定入射边缘光线和出射边缘光线与光轴的夹角，以及第一折射面1的曲率半径及其极点与焦点之间的距离；

(2)通过光线追迹方法对光线在聚光器内部和通过聚光器后的传输方向进行计算，得到两个折射面极点在光轴上的间距与第二个折射面2曲率半径之间的关系；

(3)利用光线在第二折射面2折射前后角度的关系为约束条件，最终确定两个折射面极点在光轴上的间距与第二个折射面2曲率半径。

本发明的有益效果是：

1、通过对聚光器两个表面参数的设计，本发明可以在不改变聚焦位置的情况下，实现对光束聚焦角度的调整；

2、具有高损伤阈值材料(如LBO晶体)的使用，本发明可以承受较高激光功率，可以应用于高功率激光系统中；