四程放大自动准直系统数学模型研究

针对高功率激光装置四程放大系统的特点,利用矩阵光学原理,建立了四程放大准直系统的数学模型;基于此模型,设计了四程放大系统的准直调整方案;得出了近、远场偏移量与调整量关系的解析解. 关键词： 激光技术 光束准直 四程放大     

小平坦波面光场的衍射与准直特性

根据惠更斯-菲涅耳原理、空间频谱理论、能量守恒定律推导出一个波面为平面的小衍射源远场衍射积分公式的倾斜因子,给出一个衍射远场半球面上光场分布的计算表达式。根据满足正弦条件的准直物镜对光波波面的变换特性,给出小平坦波面光场的准直光场计算表达式,并以简单直角坐标偏振和简单柱面坐标偏振的高斯光束变换特性为例说明了该公式的应用。     

多程放大腔镜准直研究

 针对高功率激光装置对多程放大器腔镜准直的要求,利用小孔的像传递和光路自动准直的原理,设计出一套创新的腔镜准直调整方法,并且在SG-Ⅲ原型装置4程放大模拟实验平台上进行了实验验证。实验结果表明：自动准直系统能够在15min之内顺利完成主放大级系统的光路调整,光束近场调整精度值小于近场光斑直径的0.5%,光束远场调整精度小于0.3"。     

离轴八程放大器自动准直技术研究

展示了基于离轴八程激光放大器的闭环自动准直技术研究,该项技术旨在用自动准直系统取代手动光路准直的方式,明显提高了该构型复杂的多程激光放大器的运行效率、准直精度与其输出光束质量。该技术利用主激光照明和像传递系统实现离轴八程激光放大器中滤波器小孔空间位置的精确标定,通过边缘检测处理远场光斑得到其指向中心。基于光斑中心与基准间的差值,对特定反射镜架进行二维控制进行光束指向补正,从而实现离轴八程放大器系统的闭环自动准直。研究结果表明,实验结果契合离轴八程放大器系统对光束准直准确率与效率的要求,验证了该准直技术在离轴八程激光放大光路中应用的可行性。     

光路自动准直快速调整数学模型研究

推演了用于计算机快速调整的巨型激光器光路自动准直控制数学模型,分析了ICF准直光路的光学特性及光路调整特点,据此求解出了准直控制的输入偏差量和输出控制量之间的数学模型.该模型在某大型激光装置的光路自动准直中得以实际应用,八路主放大级1～2程光路的准直时间＜3 min,3～4程光路的准直时间＜8 min,主放大级输出光束近场准直准确度优于0.3%,远场指向的准确度优于0.3″ RMS（均方根准确度）.     

基于光斑二阶矩的阵列光束倾斜相差自适应控制方法

针对阵列光束相干合成中存在的倾斜相差大的问题,提出了基于合成光束远场光斑二阶矩的阵列光束倾斜相差自适应控制方法。以合成光束远场光斑二阶矩作为评价函数,理论上模拟了采用随机并行梯度下降算法实现7路光束的倾斜闭环控制过程。实验上搭建了7路光纤激光相干合成系统,利用自适应光纤准直器对倾斜相差进行校正。以合成光束远场光斑的二阶矩作为评价函数,采用随机并行梯度下降算法,实现了7路光束的倾斜的闭环控制,合成光束模拟远场光斑的桶中功率由0.05 V提升至1.95 V。实验中将倾斜扰动的增益系数变为与二阶矩相关的函数,实现了自适应变增益系数的倾斜闭环,在一定程度上提升了倾斜控制的带宽。从理论上和实验上验证了基于光斑二阶矩的倾斜相差自适应控制方法在光束合成及合成孔径探测领域应用的可行性。     

光束旋转90°多程放大系统的波前误差校正

 光束通过神光-Ⅲ原型装置四程放大系统发生了90°旋转和扩束。在四程放大系统腔镜处放置变形镜校正系统像差是一种新的自适应光学方案，推导出被校正像差与变形镜面形之间的数学关系。理论推导表明，在扩束比大于1的前提下，腔镜处变形镜可以校正系统输出的任意类型的像差，且变形镜对应的面形唯一。理论分析和计算仿真说明该方案的校正能力与像差类型和扩束比有关，扩束比增大将增强变形镜校正像散的能力，但系统旋光消像散的能力也将减弱。     

光束旋转90°多程放大系统的波前误差校正

光束通过神光-Ⅲ原型装置四程放大系统发生了90°旋转和扩束。在四程放大系统腔镜处放置变形镜校正系统像差是一种新的自适应光学方案，推导出被校正像差与变形镜面形之间的数学关系。理论推导表明，在扩束比大于1的前提下，腔镜处变形镜可以校正系统输出的任意类型的像差，且变形镜对应的面形唯一。理论分析和计算仿真说明该方案的校正能力与像差类型和扩束比有关，扩束比增大将增强变形镜校正像散的能力，但系统旋光消像散的能力也将减弱。     

四程放大系统腔镜位置变形镜的面形解

 根据在大型高功率固体激光装置中自适应光学技术的应用研究，将变形镜置于腔镜位置，有利于提高自适应光学系统的校正动态范围。基于变口径90°翻转四程放大系统的光路特点，从理论上比较完整地解决了四程放大系统腔镜位置变形镜面形解的存在性问题，并对口径变换比值(缩束比)与面形求解之间的关系问题进行了数值模拟，结果表明:只要缩束比小于1，对应系统连续波前畸变的腔镜位置面形解是存在的，且随着缩束比减小，解的收敛性增强。     

激光核聚变装置中基于像传递的激光自动准直技术研究

基于像传递的激光自动准直技术是提高准直准确度、增加稳定性的好方法。本文在理论上用两快速傅里叶变换（ＦＦＴ）分析了准直中基于像传递的近远场信号对图像处理影响。在光束近无场像面上引入十字叉丝并以“神光”装置的某一级空间滤波器为例,计算出光束直径一定时合适的十字叉丝尺寸;最后通过实验确定了基于像传递的自动直技术的具体实现系统。     

1 J,1 Hz lamp-pumped high-gain Nd:phosphate glass laser amplifier

We present a lamp-pumped Nd: phosphate glass laser amplifier delivering up to 1 J of pulse energy at 1053 nm with a repetition rate of 1 Hz and an injected pulse energy of 2.5 mJ. The amplifier system employs a beamshaping module and a four-pass, lamp-pumped amplifier. The thermally induced wavefront distortion is mitigated and a uniform gain distribution is obtained by a four-lamp-pumped laser head in the amplifier. Thus,an excellent beam quality is obtained.     

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。     

水冷10 Hz Yb:YAG激光放大器热管理

为了控制重频放大器的热致波前畸变,设计并加工了均匀冷却的背面水冷激活镜激光放大器,对放大器的热畸变特性开展了实验研究,实验发现在泵浦功率密度较高即重复频率达到10 Hz,平均功率密度达到200 W/cm2时,放大器的热畸变既影响远场分布又对近场产生显著的调制。近场的调制会给放大器带来较大的损伤风险。为了消除热畸变对近场的调制,首先对泵浦强度分布进行了匀化,然后对介质进行了边缘热平衡控制,消除了热畸变引起的近场调制。通过对上述因素的控制,采用水冷激活镜构型的四程放大器实现了在10 Hz频率下良好运行。在没有进行主动补偿的情况下,实现了远场焦斑优于5倍衍射极限的输出。     

随机并行梯度下降光束净化实验研究

利用自适应光学技术进行光束净化是高能激光系统中一项重要的研究内容.为实现光束净化系统的小型化和低成本,基于系统性能评价函数无模型最优化的波前畸变校正方法是适合的技术方案.就随机并行梯度下降(SPGD)最优化算法在光束净化系统中的应用展开研究.针对高能激光束常见的像差分布进行了SPGD波前校正的数值模拟,在此基础上构建了37单元自适应光学光束净化实验平台,讨论了双边扰动梯度估计和迭代增益系数自适应变化对算法收敛特性的影响.数值模拟与实验结果验证了SPGD算法对不同程度波前畸变的校正能力,表明了SPGD光束净化方案的可行性.     

Seven-terawatt Ti:sapphire laser system operating at 50 Hz with high beam quality for laser Compton femtosecond X-ray generation

We present a 7-TW Ti:sapphire laser system operating at 50 Hz for laser Compton femtosecond X-ray generation. This laser system delivers 8.4 W of average output power at a repetition rate of 50 Hz with a pulse width of 24 fs. It demonstrates successful management using a dynamically stable resonator in the regenerative amplifier and compensation for thermal lensing by a convex mirror in a ring-type four-pass power amplifier. We also present the results of closed-loop corrections for distorted wavefronts of amplified and compressed laser pulses, using an adaptive optical system consisting of a Shack–Hartmann-type wavefront sensor and a deformable mirror. This closed-loop correction results in dramatic improvements, reducing wavefront distortions below 0.05 λ rms. Received: 31 October 2002 / Revised version: 3 March 2003 / Published online: 5 May 2003 RID="*" ID="*"Corresponding author. Fax: +81-298/61-3349, E-mail: ito@festa.or.jp     

Ø500 mm阵列透镜波前采样器的研制

 设计加工了一个由484块单透镜组成的大口径阵列透镜,并设计了一套光束波前采样及测量实验系统。在实验过程中,合理匹配了阵列透镜波前采样器、CCD、成像屏和图像采集处理各系统参数,并讨论了该系统的动态范围和采样精度。利用平行光标定了该系统,且测量了大口径波前的像差,测量值与理论值相吻合。实验证明了阵列透镜波前采样器用于波前采样的技术可行性。     

Beam stability analysis of high power laser system based on relay imaging

The model of a beam propagating in a high power laser system is built based on relay imaging. The displacement sensitivity of the lens to beam positioning error is obtained using this model, which is then compared with the traditional method. Two real systems, the pre-amplifier and four-pass amplifier in SGII-U, are presented to further discuss the differences between the two methods. The limitation and application range are summarized in the end. The findings can be used to provide guidance in similar systems.