羅切斯特大學利用雷射系統模型PSOPS提升裝置運行性能與靈活性

2020-12-14 江蘇雷射產業創新聯盟

來源：梁彥 朱坪 高功率雷射科學與工程 4月17日，江蘇雷射聯盟轉載

High Power Laser Science and Engineering 2020年第1期封面文章：

M. J. Guardalben, M. Barczys, B. E. Kruschwitz, et al. Laser-system model for enhanced operational performance and flexibility on OMEGA EP[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2020, 8(1): 010000e8

在雷射聚變、高能量密度物理、實驗室天體物理、光學材料雷射處理等研究領域中，能夠輸出複雜脈衝形狀對雷射裝置非常重要。想要能夠精確輸出複雜脈衝形狀，並使裝置穩定運行、實驗效率最大化，對雷射系統時空輸出特性的精確實時預測十分關鍵。

近期，來自羅切斯特大學OMEGA EP裝置的研究團隊在High Power Laser Science and Engineering 2020年第1期的論文中，報導了一種基於OMEGA EP裝置的半解析MATLAB模型PSOPS，能夠實時預測雷射輸出性能，為提升雷射系統的參數精確性和運行靈活性提供依據。

圖1 OMEGA EP雷射裝置系統示意圖。

PSOPS模型將能量傳輸方程的解析解與小信號增益的測量、飽和通量的校準相結合，能夠在幾分鐘之內基於前一發次輸出特性實現對後一發次脈衝形狀、能量、近場光束分布等特性的預測，耗時遠遠小於90 min的發次間隔時間。

該模型程序結構如圖2所示，具有以下四個特點：1）實時、準確地預測每一路雷射的性能；2）操作界面直觀，運行人員容易上手；3）可針對實驗數據進行反饋優化調節；4）具備前向和後向兩種預測能力。

圖2 PSOPS模型程序結構。（a）前向光傳輸預測：使用注入光參數與放大器構型作為輸入預測紫外光束輸出能力。（b）逆向光傳輸預測：使用紫外光參數和放大器構型作為輸入預判注入光特性。

基於OMEGA EP第三路雷射，開展了PSOPS模型對雷射系統空間和時間特性的前向預測和逆向預測的實驗驗證研究。實驗結果表明，計算與測量結果表現出了良好的一致性。圖3對比了PSOPS正向仿真的放大光近場光斑、時間波形、能量與對應的雷射實驗測量結果。基頻：測量值3112 J，仿真值3102 J；三倍頻：測量值453 J，仿真值452 J。圖4對比了PSOPS逆向仿真的注入光近場光束輪廓、波形、能量與對應的雷射實驗測量結果，測量值79.5 mJ，仿真值76.9 mJ。

圖3 PSOPS正向仿真與實驗結果對比。

圖4 PSOPS逆向仿真與實驗結果對比。

此外，該模型還有一個獨特之處，PSOPS具有改善紫外脈衝能量和波形精確度、提升實驗靈活性、增加有效脈衝寬度、提高系統準直性能等功能，使裝置運行的精確性與靈活性大幅度提高：1）調整前端參數和脈衝波形，補償光路中的動態損耗、增益損耗、脈衝時空變化等；2）基於用戶對實驗數據的實時分析，調整到靶能量和脈衝波形；3）通過精確拼接多束雷射脈衝實現有效脈寬的增加，增加範圍高達4倍；4）提升系統準直能力，減少近場調製量，並有助於理解增益改變的原因。

最後，該研究團隊展望了PSOPS模型的後期升級工作。一方面，會在模型中增加雷射增益、有效截面積、飽和通量的光譜維度；另一方面，使用閉環的任意波形發生器將有助於進一步減少脈衝波形設計與產生的所需時間。

《高功率雷射科學與工程》推薦閱讀：

1. A. Rigby, J. Katz, A. F. A. Bott, et al. Implementation of a Faraday rotation diagnostic at the OMEGA laser facility[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2018, 6(3): 03000e49

2. Zhaoyang Jiao, Ping Shao, Dongfeng Zhao, et al. Design and performance of final optics assembly in SG-II Upgrade laser facility[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2018, 6(2): 02000e14

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