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%。     

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。     

高能量效率的大口径多台阶衍射光学元件

在高功率激光装置的束匀滑元件应用中,如何提高焦斑的能量集中度,是系统的一大关键难题,尤其是对于具有台阶相位突变的二元光学元件．本文最近的研究表明,通过抑制高衍射级次的能量损失,多台阶相位板既能提供很好的均匀焦斑,又能集中绝大部分能量于其中．后续的理论分析和实验测试论证了此改进方案,由此获得超过90％能量利用率的匀滑焦斑不再是大口径（〉100mm）多台阶衍射光学元件无法逾越的障碍．     

激光惯性约束聚变驱动器终端光学系统中束匀滑器件前置的条件研究

对激光惯性约束聚变（ICF）驱动器终端光学系统中连续相位板（CPP）的位置优化进行了研究.根据高强度激光非线性及微扰传输理论计算了CPP前置时激光通过频率转换系统以后的近远场光束特性和系统的三倍频转换效率.研究发现,前置于基频光路的CPP对三倍频转换效率和出射光束特性均有影响,但只要远场圆形焦斑直径小于05 mm,三倍频转换效率的下降与出射光束通量对比度的上升均在容许范围之内,同时远场焦斑形态和能量集中度也符合设计要求.对于实现远场小焦斑匀滑的CPP前置于ICF的基频光路中进行光束匀滑和整形,不会对IC 关键词： 连续相位板 束匀滑元件 惯性约束聚变 光束通量对比度     

基于响应函数的大口径衍射元件光场调制分析

针对大口径衍射光学元件快速高精度分析难题，提出了基于响应函数的光场调制分析方法。首先，将衍射元件表面的微结构分解成多个台阶结构；然后，使用严格矢量理论方法计算台阶对入射光场的调制作用，并转化成阶跃响应函数；最后，利用相干合成原理将每个台阶的阶跃响应函数合成为微结构对入射光场的响应。分析了微结构最小线宽、响应函数作用范围和台阶定位误差等对计算精度的影响，并利用所提方法计算了不同口径衍射透镜的近场及远场分布。结果表明，即使存在25 nm的台阶定位误差，透镜远场的最大光强和衍射效率与严格矢量理论计算结果的差异仍然小于2%，同时计算效率提升了至少3个数量级，可见，所提方法可兼顾大口径衍射元件分析的精度与速度。     

激光能量叠加过程中对准精度对焦斑的影响

利用多光束激光输出耦合叠加是一种提高激光器输出功率的有效方法。采用两束矩形激光对准系统,分析两光束不同对准情况下的焦斑特性。完全对准的情况下,两束光的远场焦斑重合在一起,焦斑能量是两光束能量之和。在实际光束对准系统中,讨论了三种常见的对准误差,并比较了这些误差对焦斑特性的影响。利用ZEMAX软件对设计系统进行了模拟分析,并进行了实验验证。结果表明,元件的位置误差会使远场焦斑能量集中度降低,焦斑半径增大。     

衍射光学元件设计参数对束匀滑衍射效率的影响

经过理论推导,分析了320 mm口径衍射光学元件在束匀滑实验中光强分布出现高级次衍射斑和元件实际衍射效率变低的原因,模拟计算得到了接近实验的光强分布。模拟分析发现:通过调整设计参数,如适当增加抽样点数,使设计时焦斑主瓣占输出计算窗口的比例减小至0.2以下,可以大大降低由于高级次衍射斑造成的衍射效率损失,控制在2%以内,使台阶分布式相位片实际衍射效率得到提高,在对口径为70及320 mm的台阶分布式相位片样品测试中得到了验证。     

惯性约束聚变装置中靶面光场特性的统计表征方法

在激光驱动的惯性约束聚变装置中,常采用多种束匀滑手段对焦斑的时空特性进行调控.光传输链路中涉及的光学元件众多、传输变换复杂,往往导致光传输模型复杂,且在运用衍射光学方法分析焦斑形态和特征时面临大量的数据处理和计算,致使出现计算量大、计算效率低等问题,亟需寻求快速而简便的新方法来描述焦斑的统计特征.本文利用光场特性的统计表征方法对靶面光场进行表征,采用圆型复数高斯随机变量直接描述靶面光场的统计特征,并基于典型焦斑评价参数对衍射光学方法和统计表征方法得到的远场焦斑进行了对比和分析.结果表明,采用衍射光学方法和统计表征方法获得的焦斑的瞬时特征基本一致,其时间积分的远场焦斑有所不同,但仍可进一步采用相关系数来表征其远场焦斑的时间变化特征.     

大口径连续相位板面形检测与评价

基于全局最小二乘拼接算法和图像融合算法建立了连续相位板（CPP）子孔径拼接检测算法,并根据全局相关匹配原理提出采用面形残差来评价CPP的加工面形。采用高精度动态干涉仪等设备建立了相应的检测系统,并针对430 mm430 mm口径CPP开展了数值模拟和检测实验。理论计算结果表明:系统计算误差为0.005 nm。实验结果表明,整个检测系统软硬件RMS误差小于5 nm,基本满足CPP面形检测要求。从而验证了CPP检测和评价的正确性和可行性。     

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。     

高空遥测激光多普勒检波系统研究

为解决远距离处人工地震波的检测问题,研究了光源的相干性,系统的稳定性．激光多普勒信号强度、信噪比,位移测量灵敏度和精度等理论及方法。采用在腔内捕人两个直径为1．8mm的可变光阑和输出光的准直结构(4倍)．增大光源的相干长度和可测距离;在两路光中分别加入声光调制器和λ/4波片．实现偏振态匹配并使系统工作更稳定,提高信噪比;采用透镜聚焦接收．增大信号强度;采用特伦逆向反射装置,消除它在位移或振动过程巾因偏摆或横移所带来的影响,使测量灵敏度和精度提高约一倍。将此系统用于2m处的振动进行原理性实验,其振幅测量相对误差为0．1％,可测频率最高为750Hz,因此可用于高空遥测人工地震波。     

长焦红外光学系统焦距的高精度测量技术

为提高长焦红外光学系统焦距测量的准确性,提出一种将干涉测量、光电自准和激光跟踪技术相结合的焦距测量方法。基于光学系统波前干涉测量光路,利用波前的power值对球面反射镜位置非常敏感的特性,结合激光跟踪仪的空间几何量精密测量和光电自准直仪的精密测角功能,实现长焦红外光学系统焦距的高精度测量。实验中对一理论焦距为1 520 mm的航空长焦红外光学系统进行测试,并结合测试设备的测量精度进行误差分析,5次测量的标准偏差为0.930 mm,测量误差小于0.2%,满足测试技术要求。结果表明这种方法用于长焦红外光学系统焦距的测量是合理可行的。     

基于光学三角原理的内径非接触测量方法

基于光学三角测量原理,提出了一种非接触测量内径的方法。对激光双光三角测量原理与单光三角测量原理进行了分析对比。采用单光三角测量原理设计了一种非接触式测量内径的光电测量系统。论述了系统的组成和总体结构,并通过实验对测量系统的精度进行了验证。结果表明,系统的测量误差不大于0.03mm,重复性测量精度优于±0.03mm。     

Optimal Truncation of Element Beam in a Coherent Fiber Laser Array

The beam quality of a coherent fiber laser array often suffers from the low fill factor of the Gaussian laser array. One simple and effective approach to improve the fill factor is to truncate the array element properly. An analytical expression for far-field intensity distribution of a truncated coherent fiber laser array is derived. Optimal truncation of the element beam in different coherent fiber laser arrays is obtained by using energy encircled in the far-field central-lobe as the beam quality criterion. By optimal truncation, energy encircled in the central-lobe can be 97% compared with the ideal case. The shift in optimal truncation parameter in the case of phase noise is also analyzed.     

神光Ⅱ第九路光路自动准直系统研究

光路自动准直系统应用于惯性约束聚变的高功率激光装置中。针对神光Ⅱ第九路装置,设计了一套可行的准直方案,并在装置上进行了实验。实验结果表明,自动准直系统能够在15minSq顺利完成光路的自动调整,小口径近场调整准直精度小于±0．5mm,大口径近场调整准直精度小于±1．0mm,远场准直精度小于±1”,满足了装置的设计要求。     

随机高斯型相位板的束匀滑特性

 针对激光系统对光束匀滑的需求,设计了高斯型连续相位板,并对其远场特性进行了研究。分别计算了相干长度为39,30,10和3 mm的高斯相位板远场光斑分布,结果显示相位板自身相关长度是决定远场能量分布的重要因素,当相干长度大于10 mm时,由于不满足各态历经条件,远场光斑分布能量分散。当相干长度小于10 mm后,由于满足各态历经条件,远场光斑能量将接近理想的高斯分布特性。通过数值计算模拟了相干长度为3 mm的连续相位板对畸变光束进行匀滑处理的过程,演示了束匀滑处理结果。通过比较匀滑前后远场光斑的能量分布,显示了畸变光束通过连续相位板后远场光斑能量分布变化情况,通过相位板后,光斑形状明显接近理想高斯分布情况。     

合肥光源单束团下束团长度和能散的测量

根据同步光与储存环中的束流信号具有相同的时间结构的原理,测量同步光脉冲的半高全宽值可以计算出束团的长度。根据合肥光源的特点和实际需要,选择快速光电接收器搭配高速高带宽示波器作为在线测量束团长度和纵向分布等的主要手段。对单束团模式下束团长度随流强和高频腔腔压的变化趋势进行了测量。测量结果表明:束团长度与腔压的0.3次方成反比,比理论值0.5小;而束团长度随流强的增长率为2.0 ps/mA。通过测量纵向量子寿命进行了能散随流强变化的间接测量,结果表明,束团的拉伸是能散变化和势阱效应共同作用的结果。     

相位激光测距与外差干涉相结合的绝对距离测量研究

 为了克服一般绝对距离测量方法量程和精度不能同时满足的问题,提出一种相位激光测距与外差干涉相结合的绝对距离测量方案。该方案使用相位激光测距技术进行粗测,双纵模He-Ne激光器外差干涉测长技术进行精测,保证两者结合的单值性。建立测量系统,对方案的可行性进行了实验验证,并对影响系统稳定性的因素进行了分析。与双频激光干涉仪的比对结果表明：测量标准差优于1mm,可以满足一些大尺寸的测量精度要求。     

漫透射成像法激光强度时空分布测量装置

 提出用CCD漫透射成像法测量激光强度时空分布和激光功率,给出了测量原理, 简要叙述了装置总体结构,介绍了测量装置各部分,给出了散射屏的散射特性,重点分析了光路布局、镜头焦距、光圈、景深、滤光片的参数选择,介绍了数据处理软件,给出了激光强度分布测量实验结果。结果表明：漫透射成像法测量激光强度时空分布是可行的,该装置测量强度分布分辨力高达5 mm;测量功率准确、可靠,测量不确定度小于6%,使用方便,实现了在小空间内对大光斑进行功率和强度分布的同时准确测量。     

热图法测量激光强度时空分布的重构理论研究

为了把量热法应用于远场激光强度时空分布测量,研究了基于热像仪靶面温度测量反演入射激光强度时空分布的重构理论。针对背光面两种不同边界条件(对流-辐射热流边界和恒定温度边界)推导出了由靶面温度分布反演激光束时空分布的重构表达式。获得的分析表达式对广泛的材料具有适用性。通过引入广义参量F0=α/L2,分别就F0》1和F0《1情况给出了重构近似表达式,并对满足F0》1条件的回推算法进行了数值模拟验证。数值结果表明,两种背光面边界条件下回推得到的激光束时空分布与原始激光束达到了很好的一致,但存在一与靶材傅里叶数相关的最小起始回推时间τ0。成果可用于强激光远场参量测量设备的研制。