基于神光-III原型装置的直接驱动靶面均匀照明理论研究

论文摘要

在ICF中心点火模型中,直接驱动模式较间接驱动在内爆增益和激光作用效率等方面均有着突出的优势。对于我国现已建成的神光-III原型装置（TIL,间接驱动设计）,在保持其现有打靶光路排布条件下,尝试采用一系列技术手段,使其兼备直接驱动的实验功能是具有重要意义的研究课题。本论文以此为目的,研究通过对光束波面的精密控制来实现直接驱动最为重要的物理需求——球靶表面均匀照明,从而完成该方面探索的第一步。首先,系统介绍并研究了光学位相恢复算法（包括基于Fourier变换的迭代算法、基于搜索极值的寻优算法以及将两种方法结合的杂化算法）,继而在此基础上,根据实际模拟计算需要,理论验证了基于基尔霍夫衍射积分进行位相恢复迭代计算的可行性,为入射光波面重构的数学计算建立了基础。其次,以TIL状态方程实验直接辐照平面靶为模拟背景,以ICF直接驱动所需的靶面能量沉积均匀度为参数指标,利用改进的GS算法并通过Hankel坐标变换计算得出满足均匀照明条件的入射光波面结构以及波面控制元件（DOE）的相位分布,同时对四束激光在该平面靶上的照明均匀性进行计算分析,以此给出平面靶均匀照明的入射光波面构造规律,另一方面也对本文所改进的波面重构即位相恢复算法进行了验证。最后,以TIL对球靶进行直接驱动ICF实验为假想模拟背景,利用前述的位相恢复、坐标变换等数学工具,对球靶表面均匀照明进行了系统的研究:1)引入球谐模分析理论,讨论了TIL参数条件下靶面均匀性随相对离焦量的变化关系,确定切聚焦为最佳的打靶方式;2)以理想均匀照明为初始假设,确定了满足该条件的单束光在靶面上的强度分布,继而利用位相恢复算法反推得出各入射光束的波面结构;3)将符合以上相位条件的激光束作为入射条件,通过正向计算得出直接驱动球靶表面不均匀度为0.9%。从而在理论上初步证明了TIL对球靶的直接驱动ICF实验基本满足均匀性要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 论文背景
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 ICF 中心点火模型的主要驱动方式及相应特点
• 1.2.2 国外直接驱动ICF 研究的发展概况
• 1.2.3 直接驱动球靶均匀照明需求及相关研究进展
• 1.2.4 我国ICF 研究发展概况及神光-III 原型装置的主要特点
• 1.3 本文研究内容及结构安排
• 第2章 位相恢复理论及基于基尔霍夫衍射积分的迭代方法
• 2.1 引言
• 2.2 位相恢复的基本原理
• 2.3 位相恢复的常用方法
• 2.3.1 常用的迭代算法
• 2.3.2 常用的搜索优化算法
• 2.3.3 杂化算法（HA: Hybrid Algorithm）
• 2.4 利用基尔霍夫衍射积分公式进行迭代计算
• 2.5 本章小结
• 第3章 直接驱动平面靶均匀照明的波面重构
• 3.1 引言
• 3.2 四束激光均匀辐照平面靶时位相恢复分析
• 3.3 单束光辐照均匀时的位相恢复
• 3.3.1 相位反推的理论模型
• 3.3.2 相位反推的具体算法
• 3.3.3 单束光均匀辐照的模拟结果
• 3.4 四束激光在靶面上的叠加结果
• 3.5 本章小结
• 第4章 直接驱动球靶打靶方式的确定
• 4.1 引言
• 4.2 球谐模理论
• 4.3 利用球谐模分析法确定打靶方式
• 4.3.1 离焦打靶方式的确定
• 4.3.2 采用切聚焦打靶
• 4.3.3 利用国外直接驱动ICF 装置确定的打靶方式
• 4.4 本章小结
• 第5章 直接驱动球靶均匀照明的波面重构
• 5.1 引言
• 5.2 原型装置与国外主要直接驱动ICF 装置的比较
• 5.2.1 原型装置结构特征分析
• 5.2.2 国外主要ICF 装置结构特征分析
• 5.3 实现原型装置靶面均匀化的波面重构
• 5.3.1 实现球靶辐照均匀时球靶表面的光强分布
• 5.3.2 位相恢复实现波面重构
• 5.4 球靶表面均匀度结果分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢