影响连续相位板聚焦性能的主要因素

为提高惯性约束聚变系统中聚焦光斑的能量集中度,分析了在应用过程中影响连续相位板性能的主要误差来源,并建立了相应的数学模型。通过分析得出存在误差时远场焦斑的能量集中度和均方根值,且口径误差、对准误差、振幅畸变误差对连续相位板的聚焦性能影响很小,波前畸变影响能量集中度的权重最大。进一步分析可知:当畸变波前相关长度与连续相位板的最小空间周期（10 mm左右）相当时,畸变波前极大地影响激光的聚焦性能,提高惯性约束聚变系统中畸变波前的相关长度是提高聚焦光斑的能量集中度的有效方法。     

Factors affecting focusing performance of continnous phase plate concentration

为提高惯性约束聚变系统中聚焦光斑的能量集中度,分析了在应用过程中影响连续相位板性能的主要误差来源,并建立了相应的数学模型.通过分析得出存在误差时远场焦斑的能量集中度和均方根值,且口径误差、对准误差、振幅畸变误差对连续相位板的聚焦性能影响很小,波前畸变影响能量集中度的权重最大.进一步分析可知:当畸变波前相关长度与连续相位板的最小空间周期(10 mm左右)相当时,畸变波前极大地影响激光的聚焦性能,提高惯性约束聚变系统中畸变波前的相关长度是提高聚焦光斑的能量集中度的有效方法.     

连续相位板远场焦斑能量集中度实验研究

在惯性约束聚变（ICF）研究过程中,焦面上聚焦光斑形态要求极为苛刻。基于离线测试平台,从实验上研究了各种应用误差对连续相位板（CPP）远场焦斑能量集中度的影响。得出光束旋转误差、口径误差、平移误差和倾斜误差在可控范围内CPP远场焦斑能量集中度均高于95%,其波动范围小于0.5%,CPP的容忍度较强。而实验畸变波前属于空间频率小于0.02 mm-1的低频波前,严重影响了CPP的整形能力,波前畸变是影响能量集中度高于90%的主要因素。     

奇对称型相位板波前编码成像系统的点列图分析

基于几何光学理论利用光线追迹方法得到了适用于任意面型相位板的大视场平行光入射情况下的光线像差近似表达式,并在此基础之上分析了奇对称型相位板波前编码系统的点列图的大小、边界以及光线结构等特性,研究了大视场角平行光入射下的光线像差增强及点列图形变等现象,并且给出了相应的近似数学解析式来描述这些特性。通过对奇对称型相位板波前编码成像系统的点列图特性分析,有助于进一步的理解波前编码技术并且指导实际系统的设计。     

连续相位板束匀滑容差能力分析

在惯性约束聚变系统中,改进G-S算法设计的连续相位板能够对波前发生畸变的激光进行束匀滑处理,以改善远场分布。由于连续相位板对不同畸变状态的波前进行处理后的效果不一样,因此针对连续相位板的束匀滑容差能力进行了系统分析。鉴于畸变光束的传输特性,采用波前均方根梯度来量化波前畸变量,定量计算了不同畸变光经过匀滑处理后的远场光强分布情况。并比较了不同入射畸变光通过连续相位板后的远场焦斑顶部均匀性,结果表明:当入射波前畸变的均方根梯度小于0.32 wave/mm 时,连续相位板具有很好的束匀滑效果。     

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。     

波片对斜入射光波产生相位延迟的两种计算方法

作为常见的偏振光学元件之一的波片,如1/4波片、1/2波片和全波片,被广泛应用于高数值孔径(NA)成像系统(偏光显微镜和浸没式光刻机)的偏振检测技术中。随着系统NA的日益增大,正确分析和精确计算大角度斜入射光波经过波片后产生的相位延迟变得至关重要。目前的分析方法主要是基于电磁波传播理论和光线追迹法两种。由于前人在使用上述两种方法时,不仅计算过程较为复杂,没有最终表达式,而且计算结果存在较大的差异。首先推导波片中e光波法线的折射率表达式,然后再推导e光光线的折射率表达式,最后分别利用电磁波传播理论和光线追迹法导出斜入射光波通过波片后的o光与e光之间的相位延迟。计算结果显示,利用这两种方法得到的相位延迟最终表达式完全一致。准确地描述了波片的相位延迟特性,为波片的设计和误差分析提供了严格的理论依据,具有重要的理论意义和应用价值。     

畸变波前相位校正效果分析

 以随机相位屏构造波前畸变相位,运用高通滤波的方法模拟变形镜对光束波前畸变相位的校正作用,模拟分析了畸变波前的相位校正效果,定量分析了校正效果与低频相位畸变和高频相位畸变之间的关系,并进一步讨论了变形镜的校正位置对校正效果的影响。研究结果表明:对于给定单元尺寸的变形镜,随着畸变波前中高频相位畸变所占比例的增大,经校正后的远场光束质量明显降低,校正效果也越来越差。此外,光学变形镜所在位置对校正效果存在明显影响,校正效果随校正位置的变化呈现出起伏变化。     

波前畸变下连续相位板焦斑的计算与实验

为了提高惯性约束聚变(ICF)激光装置中连续相位板(CPP)的焦斑性能,建立了波前畸变下连续相位板焦斑的理论计算和分析模型,并根据CPP使用条件搭建了三倍频大口径CPP远场离线测试系统。对加工330mm×330mm口径的CPP和波前畸变元件进行了理论计算和离线测试实验的对比研究。理论计算和实测的焦斑形貌、参数数值均非常一致,验证了计算模型的正确性和实验系统的可靠性。理论和实验结果一致表明,波前畸变对CPP焦斑性能的影响非常严重,当弥散斑为0.5倍CPP焦斑时,畸变量已对CPP焦斑形貌产生了很大影响,能量利用率下降值大于4%,焦斑半径增大超过20μm,陡边阶数下降1.3阶,不均匀性均方根(RMS)值下降6%,旁瓣份额增长超过0.5%。     

前向迭代多随机相位光学图像加密方法的研究

基于光学4f级联系统,采用前向迭代算法和通过产生多个随机相位板对图像进行了加密和解密。给出了该方法的原理和迭代实现的过程。对该方法在收敛速度、解密图像质量、相位板数目和相位量化阶数对解密图像质量的影响以及保密和安全性能等方面进行了分析和研究。模拟结果表明,该方法收敛速度快,解密图像质量好,可以降低相位板相位量化阶数有限所引起的误差对解密图像质量的影响,图像的安全和保密性能也得到了很大的提高。     

连续相位板面形特性对远场分布的影响

惯性约束聚变(ICF)系统打靶对焦斑的大小及能量分布均匀性都有明确的要求,在连续相位板设计过程中要同时兼顾这两个方面。研究了连续相位板的面形与远场焦斑光强均匀性间的关系,从理论上推导了元件表面调制深度与焦斑尺寸的关系,并进行了定量计算。结果表明,焦斑半径随连续相位板的面形调制深度线性增加。鉴于连续相位板具有的随机特性,比较了不同相位板远场特性的区别,研究了面形调制深度对其光强峰谷值和均方根值的影响,结果表明不同设计的连续相位板,远场特性有较大的不同。当面形调制深度在5~15个波长时,焦斑具有较低的光强峰谷值和均方根值,连续相位板具有较好的束匀滑效果。     

基于焦斑空间频谱控制的连续相位板设计

 改进了传统的盖斯贝格 撒克斯通（G-S）算法,其中包含：改善了初始相位的选取;远场振幅采用弱调制,迭代中进行解相、滤波,以保证设计的相位板连续;对目标焦斑的频谱控制,使焦斑能量在频谱上重新分配。结果表明：相对传统设计的连续相位板（CPP）,改进后的G-S算法可以控制CPP的加工单元大小,降低CPP的相位梯度,更好地控制焦斑轮廓,降低特定频带的调制。进一步分析表明,新方法设计的CPP与光谱色散匀滑技术耦合的效果更佳。     

Surface statistical characteristics and smoothing analysis of continuous phase plate

According to the random characteristics of surface distribution of continuous phase plate (CPP), the characteristics of such random surface are analyzed from a statistical point of view. Based on the continuous phase plate with Gaussian distribution, the ergodic theorem is introduced to describe the statistical characteristics of CPP, and the qualification that fulfills the ergodic theorem is proved. The CPP which fulfills the ergodic theorem is proved to have better beam smoothing properties in both spatial and frequency domain by numerical simulation. The results show that after smoothing, the focal spot of random distortion beam is well controlled. The average PSD value of distortion wavefront is decreased by 50% or more.     

磁流变加工的连续相位板波前及光强特性

对采用磁流变抛光(MRF)工艺加工的大口径连续相位板(CPP)的波前及其光强控制特性进行了分析,对由不同的加工参数(走刀间距和走刀偏置)所加工的三组CPP进行了比较,并分析了MRF加工所引入的中频误差对CPP波前和光强特性的影响。结果表明,走刀间距为2mm、对应走刀偏置范围为0.1~0.3mm时所加工CPP的波前及其光强控制能力较差,远场有一定程度的旁瓣产生;走刀间距为2mm、偏置范围为0.4~0.5mm时所加工CPP和走刀间距为1mm、偏置范围为0.1~0.3mm时所加工CPP相比较,迭代加工效率提高,CPP波前中频误差得到一定的改善。进一步分析表明MRF所引入的中频误差对CPP波前梯度及旁瓣影响较大。     

动态聚焦中小焦斑的波前判据

在直接驱动中, 由于靶丸在内爆过程中不断压缩变小, 激光束的初始焦斑与压缩后的靶丸不再匹配, 导致能量从靶丸边缘流失. 光学动态聚焦是指在靶丸压缩变小的过程中, 动态减小辐照焦斑的尺寸, 这对提高光束与靶丸的耦合效率有着非常重要的意义. 靶丸压缩后期小焦斑的实现条件是解决光学动态聚焦的首要问题. 根据光的全频段传输规律, 本文采用构造低频和中高频波前畸变源的方法, 在不同目标焦斑的束匀滑条件下, 分别给出了小焦斑尺寸与低频波前、中高频波前的定标关系, 作为小焦斑实现方式的波前判据. 根据波前判据即可找出要实现不同的小焦斑需对低频和中高频波前畸变矫正控制的范围. 关键词： 直接驱动 光学动态聚焦 波前畸变 焦斑尺寸     

高能激光光束质量β因子的影响因素分析

采用二维线性调频z变换算法,分析了影响高能激光系统光束质量β因子测量准确性的因素。本文详细分析了采样点数(即衍射极限内的采样点数)和衍射光斑图像的能量损失率对光束质量β因子的影响。在衍射极限角直径2(λ/D)范围内不同采样点数的模拟结果表明:采样点数越高,光斑衍射图像的分辨率越高,进而光束质量β因子计算越准确。在一倍衍射极限角2.44(λ/D)范围内应最低不少于10个采样点,即可将β因子的测量误差控制在3%。同时,不同像差对光斑图像能量损失率的敏感程度不同,相同能量损失率下,高阶像差的β因子测量误差要高于低阶像差。特别是球差类的像差对能量损失最为敏感,约5%的能量损失就可带来15%~30%的β因子计算误差。     

激光束低频畸变波前模型的计算模拟

 在分析强激光束低频位相噪声特点的基础上,采用位相均方根梯度表征激光束的低频位相噪声并结合随机位相屏构建相应的畸变波前模型。通过模拟计算,给出低频位相噪声的均方根梯度与聚焦光斑尺寸的初步规律。     

基于工艺的连续相位板设计

为改善惯性约束聚变(ICF)系统中聚焦光束质量,降低元件的加工难度,建立了基于工艺的连续相位板(CPP)理论设计模型,并从初相选取、相位展开、滤波、焦斑频谱控制等多方面改进了传统的G-S算法,比较分析了传统设计方法和基于工艺设计方法设计的CPP的加工特性和焦斑性能.基于工艺设计的CPP面型光滑,其产生的焦斑顶部均方根(RMS)和能量利用率η分别从传统G-S的62.8%和98.0%改进到16.9%和98.6%,而且有效抑制了10～100 μm的频谱成分.结果表明,基于工艺的CPP设计方法能够较好满足现有工艺约束条件和物理需求.     

遗传算法在自适应光学系统中的应用

为了校正激光光束的波前像差,建立了一套无需直接探测波前信息的自适应光学(AO)系统模型,提出了一种基于实数编码的高斯变异的遗传算法(GA)用来控制61单元压电变形镜补偿波前像差,并仿真利用此算法控制61单元变形镜校正由变形镜本身产生的像差。结果表明,这种算法能够找到补偿各种像差所需的变形镜的最优面型。像差校正后,焦平面的峰值光强最多能够提高30倍。环围斯特尔比值(Strehl ratio)最多能够从校正前的0.032提高到0.96,变形镜61个驱动器后的电压值收敛性能良好。