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摘 要：为在百千焦耳装置集束验证平台上开展LPI实验研究，建设了基于集束模式的散射光诊断系统。该诊断系统使用大口径漫反射板作为主要拦光、反射、取样元部件，利用成像方式将漫反射板分别成像至门控相机等记录部件，采取取样测量方式得到散射光空间分布、能量大小及光谱等参量。在集束首轮物理实验中，该系统获得了较完备的物理数据。
关键词：散射光 漫反射板 成像 几何光学
Abstract： For the sake of carrying out the laser plasma interaction （LPI） experimental research on the cluster testing platform of the hundred kilojoule laser facility， a backscattered light diagnostic system based on the cluster mode is constructed. The diagnostic system uses several large aperture diffuse plates as the main light blocking， reflecting and sampling components. The diffuse plates are then imaged to the gating camera and other recording components by imaging the integral data in a proper gate time. The spatial distribution， energy and spectrum of backscattered light are obtained by sampling measurement. In the first round of cluster physics experiment， the system has obtained relatively complete physical data.
Key Words： Backscattered light; Diffuse plate; Imaging; Geometric optics
为实现点火，用于惯性约束聚变研究（ICF）的激光装置需要兆焦耳级的输出能量。在单个子束负载能力有限的情况下，需要多个子束联合成集束并共用终端聚焦的方式进行激光注入和打靶，这是包括美国NIF和法国LMJ装置共同的特点[1-3]。
现阶段中国百千焦耳激光装置已建成集束设计打靶验证平台。由于集束打靶区别于现有激光装置的几何光学排布，有必要开展相应的激光等离子体相互作用（LPI）实验研究，特别是散射光性质的研究。这类散射光来源于激光与金腔、充气气体区及靶丸壳层飞散等离子体的相互作用[4]，会造成激光能量耗散、预热内爆靶丸、破坏辐射场对称性等负面问题，需加以控制[5-6]。LPI研究中，必须对不同装置建设相应的散射光诊断系统，实现对散射光能量大小、光谱性质等物理参量的测量，给数值模拟计算程序提供准确的LPI基础数据，便于开展点火实验设计[7-8]。
该文介绍了集束验证平台的基本结构，阐述了散射光诊断系统的设计思路和具体构成，并给出了集束平台首轮LPI实验的散射光测量结果。
1 集束平台简介
集束平台使用了100 kJ激光装置的A1束组作为激光输入，8个子束合而为一。平台利用新的光学传递反射镜组及聚焦终端光学组件，将基频激光（波长1 053 nm）经过传输反射镜的反射后导入集束的靶场中，经过编组后形成“九宫格”的排列，具体见图1。各子束激光阵列进入同一终端光学组件，其中包含有使激光倍频成3倍频（波长为351 nm）的激光晶体和取样光栅等光学元件，最后经由8块楔形打靶透镜将不同子束的激光会聚至真空靶室中心。剩余的基频和二倍频激光的焦点则偏离靶室中心，并继续向后传输直至被较远处的吸收阵列吸收。打靶透镜有效通光口径为360 mm×360 mm，焦距为12 m，采用连续相位板（CPP）匀滑后聚焦光斑直径为700 μm，单子束能量为3 750 J/3 ns。子束的光束状态单独可调整，包括聚焦光斑位置、部分束匀滑方式等。
2 散射光诊断系统
2.1 总体结构
中国100 kJ激光装置配备的散射光诊断系统使用金属大口径反射镜反射并会聚散射光（包括近背向和全孔径背向）的光路设计[9]。由于金属反射镜损伤阈值较低且整体光路庞大，该设计在集束模式下不再适用。为此我们研制了一个基于朗伯漫反射板的新散射光诊断系统，用于研究背向传播的受激布里渊散射（SBS，光谱范围（351±2）nm）和受激拉曼散射（SRS，光谱范围400～700 nm）。系统采用成像测量方式记录散射光空间分布图像，利用图像强度间接给出散射光的能量;采用取样测量方式，测量散射光光谱信息。
由于散射光为激光传输的背向传播，为不阻挡和干扰打靶激光，散射光诊断分为测量激光光束口径外的近背向散射光诊断系统和激光光束口径内的全孔径背向散射光诊断系统。由于采用集束打靶模式，子束光束间也存在部分散射光，因此按照各自測量目标和功能划分，集束散射光诊断系统增加为3个分系统：位于1.2 m直径靶室内部的近背向散射光诊断分系统1号（NBS1），用于测量集束光束口径外的散射光;位于真空连接锥桶段内的近背向散射光诊断分系统2号（NBS2），用于测量子束间的散射光;位于激光器传输反射镜后的全孔径背向散射光诊断分系统（FABS），用于测量子束光束内部的散射光。
每个子系统均采用一块特别形状的平面漫反射板拦截并反射散射光，该板采用labsphere公司的Spectralon反射标准板，SBS及SRS波段内反射率≥99%，有效损伤阈值预估为3 J/cm2。 NBS1的漫反射板为方形开孔结构，尺寸为305 mm×305 mm，方孔尺寸为90 mm×90 mm，板面距离靶室中心550 mm;NBS2的漫反射板为异形结构，为610 mm×610 mm标准板裁剪而成，用于填充子束间的区域，板面距离靶室中心5 480 mm;FABS采用阵列反射镜将各子束的散射光空间上进行会聚，使光束为尺寸910 mm×910 mm的方形反射板拦截，位于集束0层靶场地面。总体布局见图2。
2.2 分系统光学结构
NBS1的漫反射板位于靶室内部，需要通过诊断法兰窗口观察，需要设计安排合适的成像镜头对漫反射板进行成像，并使之适合各记录单元部件的记录口径。NBS1的成像镜头分为两类：对SRS谱段进行消色差成像、对SBS谱段成像，镜头对SRS谱段内各波长的平均透过率为（80±8）%，物方视场：305 mm×305 mm;物方工作距离：1 415 mm（SBS）、1 360 mm（SBS）;物面倾斜角度：水平，19.8°（SBS）、15.2°（SRS），放大倍数为0.04倍，像面尺寸为12.2 mm×12.2 mm，满足各记录器件的口径要求;板面分辨能力：优于0.25 mm（SRS）、优于0.156 mm（SBS）;具备有调焦功能。其基本结构具体见图3。
NBS2的漫反射板位于锥桶内部，需要通过诊断法兰窗口观察。观察窗法兰的轴线与锥桶轴线夹角为45°，有较大的物面倾斜。NBS2的成像镜头分为两类：对SRS谱段进行消色差成像和对SBS谱段成像，镜头对SRS谱段内各波长的平均透过率为（81±7）%，物方视场：600 mm×600 mm;物方工作距离：1 850 mm;物面倾斜角度：45°（竖直）+20°（水平）;放大倍数：0.02（12 mm×12 mm能同时匹配相机、能量卡计、硅光探头）;板面分辨能力：优于0.625 mm（SRS/SBS）;具备调焦功能。其基本结构具体见图4。
FABS的漫反射板位于靶场地面阵列反射镜光束会聚处。其成像镜头分为两类：对SRS谱段进行消色差成像和对SBS谱段成像，镜头对SRS谱段内各波长的平均透过率为（81±5）%;物方视场：915 mm×915 mm;物方工作距离：3 500 mm;物面倾斜角度：2.5°（水平）;放大倍数：0.013;分辨能力：优于0.625 mm（SRS/SBS）;具备调焦功能。其基本结构具体见图5。
2.3 记录单元
各分系统包含独立的SBS及SRS测量模块，在光路中依靠独立地成像和传递光路实现。空间分布测量方面，使用的记录设备为andor公司的istar-DH334T ICCD相机，有效口径为18 mm，名义最短门控为5 ns;能量测量方面，使用的记录设备为Gentec-eo QE25系列能量探头，有效口径为25 mm×25 mm，标称最小测量阈值为80 μJ;光谱测量方面，SBS波段使用的谱仪为Princeton Instrument SP2756谱仪，焦长0.75 m，光栅线对数2 400 lp/mm，SRS波段使用的谱仪为Princeton Instrument SP2156谱仪，焦长0.15 m，光栅线对数300 lp/mm，搭配使用了条纹相机，其扫描档为20 ns，阴极宽度大于15 mm，采用光纤延时的时分复用方式进行二通道测量。
3 首轮实验及结果
3.1 集束LPI物理实验安排
由于集束装置的激光为单束发射，虽各子束独立可调部分光学参数，但整体的几何光学结构较为固定，不存在多束交叉问题，按此光学结构设计了相应物理实验。
（1）靶方面，以充气管靶和封底Au腔靶为主要靶型，均为圆柱形空腔，腔直径2.5 mm，长度5 mm，激光注入孔直径为;充气管靶腔材料为SiO2玻璃，壁厚约50 μm，两端均相通，Au腔靶材料为Au，壁厚25 μm，为封底腔;充气处理，气体成分为辛戊烷，压力为0.5 atm，腔口带封口膜。实验用靶具体见图6。
（2）激光参数方面，总能量为10～20 kJ，脉冲波形为0.5 ns烧膜脉冲+0.5 ns槽+3 ns方波，几何光学孔径F#33，功率密度为0.8×1015～1.6×1015 W/cm2。
3.2 典型散射光诊断结果
空间分布方面，典型束间、束外的散射空间分布情况具体见图7、图8，可以看出集束在作为集束状态考虑时，存在集合效应;而作为8个子束状态单独考虑时，较为显著的仍为单子束效应，子束间的散射光分布不甚明显。能量份额方面，根据实验不同功率的变化，FABS能测量得到的散射光份额为1%～20%之间，基本处于预估份额水平。
4 结语
在集束平台上成功建立了以漫反射板为主要拦光反射元件的散射光诊断系统，并据此获得了集束首轮相关的散射光诊断数据，完成了设计目标。根据此基础，集束散射光诊断系统将来需要优化相关测量单元，获得更为详实的实验数据。
参考文献
[1] R.K. Kirkwood，david turnbull，thomas chapman，et al.A plasma amplifier to combine multiple beams at NIF[J].Physics of Plasmas，2018，25（5）：056701.
[2] J.L. Miquel，peerre vivini.The Laser Mega-Joule： LMJ & PETAL status and Program Overview[J].Journal of Physics Conference Series，2016，688（1）： 012067.
[3] Alex Zylstra，s.maclaren，sa.yi，et al. Implosion performance of subscale beryllium capsules on the NIF[J]. Physics of Plasmas，2019，26（5）：052707.
[4] Bourgade，Jean-Lucet，bowen，et al.Alternative irradiation schemes for NIF and LMJ[J]. Plasma Phys ics and Control lled Fusion，2018，60（2）：025006.
[5] E. S. Dodd，b g devolder，m e.martin，et al. Hohlraum modeling for opacity experiments on the National Ignition Facility[J].Physics of Plasmas，2018，25（6）：063301.
[6] 張文帅.激光驱动等离子体中的无碰撞冲击波与离子加速[D].中国工程物流研究院，2019.
[7] J. Ralph ralph，d.t.strozzi，tammy ma， et al. Experimental room temperature hohlraum performance study on the National Ignition Facility[J].Physics of Plasmas，2016，23（12）：122707.
[8] 黎航.黑腔等离子体填充对辐射场性质影响的实验研究[D].中国科学技术大学，2019.
[9] 王峰，彭晓世，闫亚东，等.基于神光III主机的背向散射光诊断技术[J].中国激光，2015，42（9）：79-85.
关键词：散射光 漫反射板 成像 几何光学
Abstract： For the sake of carrying out the laser plasma interaction （LPI） experimental research on the cluster testing platform of the hundred kilojoule laser facility， a backscattered light diagnostic system based on the cluster mode is constructed. The diagnostic system uses several large aperture diffuse plates as the main light blocking， reflecting and sampling components. The diffuse plates are then imaged to the gating camera and other recording components by imaging the integral data in a proper gate time. The spatial distribution， energy and spectrum of backscattered light are obtained by sampling measurement. In the first round of cluster physics experiment， the system has obtained relatively complete physical data.
Key Words： Backscattered light; Diffuse plate; Imaging; Geometric optics
为实现点火，用于惯性约束聚变研究（ICF）的激光装置需要兆焦耳级的输出能量。在单个子束负载能力有限的情况下，需要多个子束联合成集束并共用终端聚焦的方式进行激光注入和打靶，这是包括美国NIF和法国LMJ装置共同的特点[1-3]。
现阶段中国百千焦耳激光装置已建成集束设计打靶验证平台。由于集束打靶区别于现有激光装置的几何光学排布，有必要开展相应的激光等离子体相互作用（LPI）实验研究，特别是散射光性质的研究。这类散射光来源于激光与金腔、充气气体区及靶丸壳层飞散等离子体的相互作用[4]，会造成激光能量耗散、预热内爆靶丸、破坏辐射场对称性等负面问题，需加以控制[5-6]。LPI研究中，必须对不同装置建设相应的散射光诊断系统，实现对散射光能量大小、光谱性质等物理参量的测量，给数值模拟计算程序提供准确的LPI基础数据，便于开展点火实验设计[7-8]。
该文介绍了集束验证平台的基本结构，阐述了散射光诊断系统的设计思路和具体构成，并给出了集束平台首轮LPI实验的散射光测量结果。
1 集束平台简介
集束平台使用了100 kJ激光装置的A1束组作为激光输入，8个子束合而为一。平台利用新的光学传递反射镜组及聚焦终端光学组件，将基频激光（波长1 053 nm）经过传输反射镜的反射后导入集束的靶场中，经过编组后形成“九宫格”的排列，具体见图1。各子束激光阵列进入同一终端光学组件，其中包含有使激光倍频成3倍频（波长为351 nm）的激光晶体和取样光栅等光学元件，最后经由8块楔形打靶透镜将不同子束的激光会聚至真空靶室中心。剩余的基频和二倍频激光的焦点则偏离靶室中心，并继续向后传输直至被较远处的吸收阵列吸收。打靶透镜有效通光口径为360 mm×360 mm，焦距为12 m，采用连续相位板（CPP）匀滑后聚焦光斑直径为700 μm，单子束能量为3 750 J/3 ns。子束的光束状态单独可调整，包括聚焦光斑位置、部分束匀滑方式等。
2 散射光诊断系统
2.1 总体结构
中国100 kJ激光装置配备的散射光诊断系统使用金属大口径反射镜反射并会聚散射光（包括近背向和全孔径背向）的光路设计[9]。由于金属反射镜损伤阈值较低且整体光路庞大，该设计在集束模式下不再适用。为此我们研制了一个基于朗伯漫反射板的新散射光诊断系统，用于研究背向传播的受激布里渊散射（SBS，光谱范围（351±2）nm）和受激拉曼散射（SRS，光谱范围400～700 nm）。系统采用成像测量方式记录散射光空间分布图像，利用图像强度间接给出散射光的能量;采用取样测量方式，测量散射光光谱信息。
由于散射光为激光传输的背向传播，为不阻挡和干扰打靶激光，散射光诊断分为测量激光光束口径外的近背向散射光诊断系统和激光光束口径内的全孔径背向散射光诊断系统。由于采用集束打靶模式，子束光束间也存在部分散射光，因此按照各自測量目标和功能划分，集束散射光诊断系统增加为3个分系统：位于1.2 m直径靶室内部的近背向散射光诊断分系统1号（NBS1），用于测量集束光束口径外的散射光;位于真空连接锥桶段内的近背向散射光诊断分系统2号（NBS2），用于测量子束间的散射光;位于激光器传输反射镜后的全孔径背向散射光诊断分系统（FABS），用于测量子束光束内部的散射光。
每个子系统均采用一块特别形状的平面漫反射板拦截并反射散射光，该板采用labsphere公司的Spectralon反射标准板，SBS及SRS波段内反射率≥99%，有效损伤阈值预估为3 J/cm2。 NBS1的漫反射板为方形开孔结构，尺寸为305 mm×305 mm，方孔尺寸为90 mm×90 mm，板面距离靶室中心550 mm;NBS2的漫反射板为异形结构，为610 mm×610 mm标准板裁剪而成，用于填充子束间的区域，板面距离靶室中心5 480 mm;FABS采用阵列反射镜将各子束的散射光空间上进行会聚，使光束为尺寸910 mm×910 mm的方形反射板拦截，位于集束0层靶场地面。总体布局见图2。
2.2 分系统光学结构
NBS1的漫反射板位于靶室内部，需要通过诊断法兰窗口观察，需要设计安排合适的成像镜头对漫反射板进行成像，并使之适合各记录单元部件的记录口径。NBS1的成像镜头分为两类：对SRS谱段进行消色差成像、对SBS谱段成像，镜头对SRS谱段内各波长的平均透过率为（80±8）%，物方视场：305 mm×305 mm;物方工作距离：1 415 mm（SBS）、1 360 mm（SBS）;物面倾斜角度：水平，19.8°（SBS）、15.2°（SRS），放大倍数为0.04倍，像面尺寸为12.2 mm×12.2 mm，满足各记录器件的口径要求;板面分辨能力：优于0.25 mm（SRS）、优于0.156 mm（SBS）;具备有调焦功能。其基本结构具体见图3。
NBS2的漫反射板位于锥桶内部，需要通过诊断法兰窗口观察。观察窗法兰的轴线与锥桶轴线夹角为45°，有较大的物面倾斜。NBS2的成像镜头分为两类：对SRS谱段进行消色差成像和对SBS谱段成像，镜头对SRS谱段内各波长的平均透过率为（81±7）%，物方视场：600 mm×600 mm;物方工作距离：1 850 mm;物面倾斜角度：45°（竖直）+20°（水平）;放大倍数：0.02（12 mm×12 mm能同时匹配相机、能量卡计、硅光探头）;板面分辨能力：优于0.625 mm（SRS/SBS）;具备调焦功能。其基本结构具体见图4。
FABS的漫反射板位于靶场地面阵列反射镜光束会聚处。其成像镜头分为两类：对SRS谱段进行消色差成像和对SBS谱段成像，镜头对SRS谱段内各波长的平均透过率为（81±5）%;物方视场：915 mm×915 mm;物方工作距离：3 500 mm;物面倾斜角度：2.5°（水平）;放大倍数：0.013;分辨能力：优于0.625 mm（SRS/SBS）;具备调焦功能。其基本结构具体见图5。
2.3 记录单元
各分系统包含独立的SBS及SRS测量模块，在光路中依靠独立地成像和传递光路实现。空间分布测量方面，使用的记录设备为andor公司的istar-DH334T ICCD相机，有效口径为18 mm，名义最短门控为5 ns;能量测量方面，使用的记录设备为Gentec-eo QE25系列能量探头，有效口径为25 mm×25 mm，标称最小测量阈值为80 μJ;光谱测量方面，SBS波段使用的谱仪为Princeton Instrument SP2756谱仪，焦长0.75 m，光栅线对数2 400 lp/mm，SRS波段使用的谱仪为Princeton Instrument SP2156谱仪，焦长0.15 m，光栅线对数300 lp/mm，搭配使用了条纹相机，其扫描档为20 ns，阴极宽度大于15 mm，采用光纤延时的时分复用方式进行二通道测量。
3 首轮实验及结果
3.1 集束LPI物理实验安排
由于集束装置的激光为单束发射，虽各子束独立可调部分光学参数，但整体的几何光学结构较为固定，不存在多束交叉问题，按此光学结构设计了相应物理实验。
（1）靶方面，以充气管靶和封底Au腔靶为主要靶型，均为圆柱形空腔，腔直径2.5 mm，长度5 mm，激光注入孔直径为;充气管靶腔材料为SiO2玻璃，壁厚约50 μm，两端均相通，Au腔靶材料为Au，壁厚25 μm，为封底腔;充气处理，气体成分为辛戊烷，压力为0.5 atm，腔口带封口膜。实验用靶具体见图6。
（2）激光参数方面，总能量为10～20 kJ，脉冲波形为0.5 ns烧膜脉冲+0.5 ns槽+3 ns方波，几何光学孔径F#33，功率密度为0.8×1015～1.6×1015 W/cm2。
3.2 典型散射光诊断结果
空间分布方面，典型束间、束外的散射空间分布情况具体见图7、图8，可以看出集束在作为集束状态考虑时，存在集合效应;而作为8个子束状态单独考虑时，较为显著的仍为单子束效应，子束间的散射光分布不甚明显。能量份额方面，根据实验不同功率的变化，FABS能测量得到的散射光份额为1%～20%之间，基本处于预估份额水平。
4 结语
在集束平台上成功建立了以漫反射板为主要拦光反射元件的散射光诊断系统，并据此获得了集束首轮相关的散射光诊断数据，完成了设计目标。根据此基础，集束散射光诊断系统将来需要优化相关测量单元，获得更为详实的实验数据。
参考文献
[1] R.K. Kirkwood，david turnbull，thomas chapman，et al.A plasma amplifier to combine multiple beams at NIF[J].Physics of Plasmas，2018，25（5）：056701.
[2] J.L. Miquel，peerre vivini.The Laser Mega-Joule： LMJ & PETAL status and Program Overview[J].Journal of Physics Conference Series，2016，688（1）： 012067.
[3] Alex Zylstra，s.maclaren，sa.yi，et al. Implosion performance of subscale beryllium capsules on the NIF[J]. Physics of Plasmas，2019，26（5）：052707.
[4] Bourgade，Jean-Lucet，bowen，et al.Alternative irradiation schemes for NIF and LMJ[J]. Plasma Phys ics and Control lled Fusion，2018，60（2）：025006.
[5] E. S. Dodd，b g devolder，m e.martin，et al. Hohlraum modeling for opacity experiments on the National Ignition Facility[J].Physics of Plasmas，2018，25（6）：063301.
[6] 張文帅.激光驱动等离子体中的无碰撞冲击波与离子加速[D].中国工程物流研究院，2019.
[7] J. Ralph ralph，d.t.strozzi，tammy ma， et al. Experimental room temperature hohlraum performance study on the National Ignition Facility[J].Physics of Plasmas，2016，23（12）：122707.
[8] 黎航.黑腔等离子体填充对辐射场性质影响的实验研究[D].中国科学技术大学，2019.
[9] 王峰，彭晓世，闫亚东，等.基于神光III主机的背向散射光诊断技术[J].中国激光，2015，42（9）：79-85.