神光Ⅲ原型装置自适应光学系统应用技术研究

重点研究了高功率固体激光装置自适应光学系统的两个主要应用问题,包括波前传感器参考波前在线标定和预补偿方式下激光过滤波器小孔堵孔问题。文中对两种不同的在线标定方法进行了研究,分析各自的优缺点,结合自适应光学系统的校正对象确定合适的标定方法和标定结果。针对小口径注入位置预补偿的自适应光学布局方案,对影响过滤波小孔的主要因素进行了研究,并从自适应光学系统控制和激光器运行流程两个方面提出了解决方案,获得较好的实验结果。     

神光II升级装置波前传输计算模型与验证

基于衍射理论和神光II升级激光装置的光路结构及光学元件波前像差,建立了激光装置光束波前像差传输计算模型,用以获取在实验中难以取得,但对激光系统设计和安全运行非常重要的变形镜校正面型、放大器动态波前像差、空间滤波器波前像差和焦斑形态等过程数据。利用该模型对激光装置常规运行时的静态传输、变形镜加压静态传输和大能量发射3种状态下的波前传输进行理论分析,计算结果与实验测量相一致,并在此基础上对变形镜未加压大能量发射波前传输进行计算。计算模型可用于指导相关器件的设计,优化激光运行控制模式,有利于提高激光装置输出波前质量。     

高功率固体激光构型验证装置波前畸变及补偿特性

为了优化高功率固体激光装置波前补偿系统的设计方案,基于构型验证装置开展了波前测试和补偿实验。实验结果显示,虽然等效钕玻璃片数大大增加,但由于主放采用了"U"型反转器技术,扣除离焦量后的静态和动态波前与原型装置相比没有显著提高,主要变化为离焦分量。若不采取任何补偿措施,会影响激光在前级滤波器的顺利过孔,造成近场缺光现象。实验中,为保证激光在动态发射时顺利过孔,采用了调节透镜的方式,使激光在各级滤波小孔位置有合适的预留量。同时,利用原型装置现有的小口径变形镜对扣除离焦后的像差进行补偿,减小激光在末级滤波小孔位置的像差。综合上述两种方法,成功解决了近场缺光的问题。针对未来高功率固体激光装置,伴随着光束口径和等效钕玻璃片数的增加,主放大器内的像差也会大幅度增加,采用上述调节透镜的方式可能无法兼顾静态和动态两种状态下的通光问题,需要在主放大系统内增加主动补偿措施,为腔镜变形镜的应用提供了实验依据。     

双变形镜双哈特曼-夏克传感器耦合校正系统

双脉冲双向传输放大构型是一种在惯性约束聚变激光驱动器领域具有极大应用价值的新型多程放大技术。针对变形镜代替腔镜对双向传输放大构型两束脉冲波前畸变进行补偿的问题,通过将两束脉冲波前先拼接再补偿的方法,研究出了一种基于双变形镜双哈特曼-夏克传感器耦合控制的新型波前校正技术,并利用神光-Ⅲ主机装置的实测数据进行了模拟验证。结果表明,该技术能够有效控制两束激光传输放大过程中所引入的波前畸变,满足系统对空间滤波器过孔的要求。     

神光Ⅲ原型装置背向散射光诊断系统的标定

背向散射光诊断系统是惯性约束聚变实验中的重要诊断装置。概述了神光Ⅲ原型激光装置背反系统的基本结构和工作原理,详细介绍了一种全口径光斑透过率和光谱响应标定方法。该方法以高功率激光光源和氙灯光源作为标定源,利用特殊的标定光路形成大光斑覆盖背反系统光学元件的全部口径,模拟散射光在全孔径背反系统上的分布,分别对系统的透过率和光谱响应进行了标定。标定结果表明,全孔径背向散射系统受激拉曼散射支路能对波长大于400nm的光进行传递,在527nm处的透过率较低。     

五角棱镜光学平行差的理论分析

利用矩阵光学方法,计算得出五角棱镜两种光学平行差的解析表达式,分析五角棱镜光学平行差与工作面法向矢量夹角的矩阵关系.基于Agilent激光干涉仪角度测量系统和DHC三维转台搭建实验装置,测量了Thorlabs五角棱镜的两种光学平行差.实验和解析式计算结果偏离度不超过4%.五角棱镜滚动角、偏摆角的变化等效于五角棱镜光学平行差的变化.通过坐标系变换,五角棱镜的自身误差和系统在线测量误差可以被同时标定.该研究对五角棱镜的实际加工、测量系统标定,以及高准确度面形检测提供了参考.     

基于波前技术的人眼神经对比敏感度测量

搭建了基于波前像差的神经对比敏感度(NCSF)测试系统。该系统在测试人眼空间对比敏感度(CSF)的同时,利用Hartmann-Shack波前传感器测量人眼波前像差,通过计算进而得到人眼的NCSF。与通过两种设备分别测量全视觉CSF和波前像差获得NCSF相比,该方法避免了不同测试状态下像差波动的影响,简化了测试过程;和传统激光干涉方法测量NCSF相比,该方法避免了激光干涉产生的相干噪音和激光散斑等不利因素,并且通过改变不同亮度不同颜色视标,可以得到不同亮度,不同波长下的NCSF。选用绿光视标对四例正常人眼的NCSF进行了测量,结果表明:该系统可以同时获得人眼的全视觉CSF、屈光系统调制传递函数和NCSF;在同等亮度下,不同人眼的NCSF存在个体差异;对同一个体,NCSF曲线的最大值对应的空间频率比全眼空间CSF曲线的最大值对应的空间频率高一些。     

微结构气体探测器中紫外激光束的信号和指向精度实验研究

在气体探测器研究中,利用266 nm紫外激光的双光子电离物理机制使气体电离产生可测量的信号,是一种重要的标定方法.随着微结构气体探测器(MPGD)的不断发展,用紫外激光标定来实现较高精度位置分辨率成为了一种研究需求,对此有两个关键技术问题需要解决:实验研究激光可测信号大小以及激光指向精度.分析和模拟计算了紫外光电离信号大小和激光调光误差,基于微结构气体电子倍增器探测器与266 nm波长激光束,在工作气体Ar/CO_2(70/30)中,测量了不同光斑面积与输出信号的关系;设计和研制了紫外激光调光系统,实验测量了紫外光调光偏差.模拟结果与实验结果对比分析表明:紫外激光束作用于气体探测器,探测器增益在5000,前放增益为10 mV/fC时, 6 mm读出条宽输出信号幅度约400 mV;在探测器内传播距离为400 mm时,较短时间内(10—20 min)实验调光指向精度可以保证小于5′,引入z向偏差最大可以达到0.33 mm,对应z向漂移速度的测量相对误差为6.4×10-4.该研究为MPGD与紫外激光标定实验设计提供主要的设计参考.     

对一种线性相位反演波前测量方法的数值仿真

 利用数值仿真方法对一种基于线性相位反演波前测量方法的性能进行了详细分析。讨论了这种线性相位反演波前测量方法的定标过程，描述了基于线性相位反演算法的波前传感器的基本组成结构。利用数值仿真计算，分析了系统自身像差和模式标定系数对这种波前传感器性能的影响，通过复原矩阵条件数，分析了靶面像素和这种波前测量方法的空间分辨力的关系。仿真结果验证了该种新型线性相位反演波前测量方法的可行性。     

大口径反射镜低应力夹持技术

高功率固体激光装置对大口径反射镜附加波前畸变和姿态稳定提出了苛刻的要求,在确保姿态稳定性的同时,要求低应力夹持使附加波前畸变峰谷值（PV值）＜λ/3, 波长λ＝633 nm。提出了一种正面三点支撑结合侧面八点限位的大口径反射镜夹持技术,对该夹持结构下引起的附加波前畸变进行了仿真和实验研究,并对反射镜姿态稳定性进行了不同工况下的实验模拟。结果表明,该夹持方式引入的附加波前畸变PV值约为23.6 nm,振动、晃动、翻转不同工况下反射镜指向变化PV值小于50 μrad,附加波前畸变和姿态稳定性均满足高功率激光装置的要求。     

基于线性相位反演技术的自适应光学闭环实验研究

利用成像光学系统、变形镜、装有图像采集卡和D/A卡的PC机等建立了一套基于线性相位反演技术的自适应光学闭环实验系统.在Windows操作系统下用VC完成图像处理和控制算法.利用一台高测量精度的哈特曼传感器测量波前信息并评价自适应光学系统的校正效果.在不同像差大小状态下研究了这种基于线性相位反演技术的自适应光学系统的像差校正能力.收敛速度,稳定性等.实验结果表明,基于线性相位反演技术的自适应光学系统对静态小像差有较好的校正效果.     

基于同步探测的脉冲钠导星聚焦非等晕性实验研究

本文提出在大气Greenwood时间常数内采用同步探测技术实现钠导星聚焦非等晕性测量, 开展了脉冲体制钠导星探测实验, 实现了对大气平流层顶端钠导星和同路径自然星可见光波段的哈特曼点阵的同步探测, 并获得钠导星回光单帧波面, 从波面一致性对比、Zernike系数比较、模拟成像校正等方面对实验结果进行较全面分析. 实验结果表明, 在当前实验条件下, 虽然脉冲钠导星的单帧哈特曼点阵的成像对比度较低, 制约了波面恢复精度, 但同步测量的两组波面始终能保持相似性, 其Zernike系数在前36阶一致性较好, 模拟结果表明钠导星探测波面有助于实现对自然星成像的有效校正, 扣除波面恢复误差后的聚焦非等晕性方差小于0.1 rad², 十分接近理论结果.     

Experimental investigation of a flowing fluid layer on metal surface roughness measurement and aberration correction using adaptive optics

The induced optical aberration of laser beam passing through a transparent flowing fluid layer on a metal specimen is experimentally and empirical formula studied. The proposed study presents an experimental investigation of metal surface roughness measurement by combining an optical probe of laser-scattering phenomena and adaptive optics (AO) for aberration correction. In the absence of the AO correction scheme, induced flow velocity of 0.278 m/s can severely degrade the residual wavefront root mean square (RMS) error to 0.58 μm and decrease the scattered laser intensity. Real-time AO correction in closed-loop at a sampling rate of 8Hz can reduce the wavefront RMS error to 0.19 μm and improve the attenuation of scattered laser intensity. The maximum relative error of the estimated roughness (R _a) is less than 7.8% compared with the stylus method. The experimental results show satisfactory correction in the presence of a flowing fluid layer using the AO system.     

激光推进应用中的波前重构仿真研究

分析了Hartmann传感器应用于激光推进中波前畸变测量的可行性,介绍了模式法波前重构原理。利用MATLAB7.0对小孔板进行了仿真。并根据几何光线追迹原理,对设定的畸变波前进行了重构。同时比较了选用不同Zernike模式数的波前重构结果以及选用不同采样率小孔板的波前重构结果。仿真结果表明:Hartmann传感器对推进应用中大口径光斑的波阵面测量是可行的。     

交连值对斜率响应矩阵和迭代矩阵稀疏度的影响

基于529单元自适应光学(AO)系统,分析了变形镜到哈特曼波前传感器的斜率响应矩阵的稀疏特性、波前复原中迭代矩阵的稀疏特性.在变形镜驱动器间距不变的条件下,研究了驱动器交连值对斜率响应矩阵稀疏度、迭代矩阵稀疏度以及AO系统校正能力的影响.研究表明,斜率响应矩阵和迭代矩阵的稀疏度随交连值的增大而减小;交连值过大或者过小都会影响AO系统的稳定性和校正能力.最后,综合斜率响应矩阵和迭代矩阵的稀疏度、系统稳定性和校正能力,给出了交连值的合理取值范围.     

无调制两面锥波前传感器的衍射理论分析和数值仿真

两面锥波前传感器(two-sided pyramid wavefront Sensor,TSPWFS)是一种高空间采样率和高光能利用率的波前传感器.为了深入研究它的波前复原原理,采用波动光学理论详细推导了无调制TSPWFS的衍射理论,给出了无调制TSPWFS波前复原时线性重构矩阵的解析解,并且通过数值仿真确定出最佳的光瞳像中心间距,并对静态像差的波前复原及闭环校正进行数值仿真.分析结果表明,无调制TSPWFS具有波前复原时不需要现场测量响应矩阵,可以校正系统像差,闭环校正结果稳定等优点,可以在实际自适应光学系统中进行波前探测. 关键词： 自适应光学 两面锥波前传感器 波前复原     

点衍射干涉仪波面参考源误差及公差分析

为了保留光纤点衍射干涉仪容易对准以及衍射光束易于控制的优点,同时又能实现大数值孔径（NA）光学系统的检测,设计了一种新型的波面参考源（WRS）,它保留了光纤点衍射和微孔点衍射的优点,可满足大NA极紫外光刻物镜系统波像差检测的要求。本文在分析各种误差的基础上,搭建了WRS原理光路并对WRS的系统误差标定算法进行详细的研究,得到WRS标定时旋转平台的角度公差为0.5°,跳径时偏离系数为0.5%。这一新型WRS误差分析及标定对于实现高精度的检测具有十分重要的意义,最终为实现WRS系统误差标定提供理论基础。     

基于瀑布型多重网格加速的复指数波前复原算法

激光在大气中传输时,由于强湍流或长传输距离的影响,畸变波前中出现由相位起点组成的不连续相位,现有波前复原算法不能有效复原不连续相位,使得自适应光学系统校正效果下降甚至失效.本文分析了最小二乘波前复原算法不能复原相位奇点的原因,提出了基于瀑布型多重网格加速的复指数波前复原算法,给出了复指数波前复原算法中迭代计算、降采样、插值计算的实现方式.研究了该方法对不连续相位和随机连续相位的复原能力,数值分析了采用复指数波前复原算法的自适应光学系统对大气湍流像差的校正效果.仿真结果表明,同等复原精度下,相比直接迭代过程,该方法所需浮点乘数目减少了近2个数量级,且随着夏克-哈特曼波前传感器子孔径数目增加,其在计算量上的优势更加明显. Rytov方差较大时,相比直接斜率法,自适应光学系统采用复指数波前复原算法后校正光束Strehl比提升1倍.     

用于快点火的激光驱动器组束方式

 根据实现快点火激光的预估参数要求,分析了非相干组束和相干组束是否可满足快点火所需的激光功率密度和能量。引入与实际情况相当的畸变波前分析远场焦斑,为了满足能量要求非相干组束需要组合更多的光束,并改进驱动器的稳定性将角漂控制在±2 μrad范围内;相干组束可获得更小的焦斑有利于提高功率密度,同时可降低对能量的要求,但仅对单路光分别进行波前补偿并不能提高能量集中度,需要引入复杂的监测和控制设备对整个通光孔径内的波前(包括束内和束间)进行全局控制。基于目前提出的参数要求和波前校正能力,非相干合成更易实现快点火,但相干合成则具有更广泛的应用潜力。