大口径光学元件干涉检测平台的建立

“神光”Ⅲ装置对所使用的大口径光学元件提出了透(反)射波前的技术指标要求，这些指标均需使用大口径的干涉仪来进行检测。由于光学检测的不确定度较大，且不同的相移及分析算法最终也会影响测试的精度及可重复性。因此针对干涉检测算法进行研究。     

大口径光学元件波前功率谱密度检测

波前功率谱密度（PSD）被用于评价惯性约束聚变激光驱动器光学元件在中频区域的波前误差。高功率固体激光装置对大口径光学元件波前质量的要求有别于传统光学系统,要求对波前误差进行较高空间频率的测量。探讨了大口径光学元件波前的高空间分辨率检测技术,采用大口径相移干涉仪作为波前检测仪器,通过傅里叶变换获得波前一维功率谱密度分布。对惯性约束聚变激光驱动器的典型光学元件进行了波前功率谱密度的的检测和分析。     

大口径光学元件中频波前的检测

大口径光学元件中频波前的准确评价已成为高功率激光系统中关注的焦点,元件中频波前均方根值是重要评价指标之一。根据波前中频检测频段及波前检测设备频响特性,将波前的中频区域分为两个检测频段,分别采用干涉仪和光学轮廓仪实现了中频波前均方根值的检测。采用大口径干涉仪可实现全口径波前中频区域低频段波前的检测,通过比对大口径干涉仪和采用小口径干涉仪结合分块融合平均方法的检测结果,提出采用分块融合平均方法也可检测相应频段全口径波前均方根。采用光学轮廓仪通过离散采样的方法检测大口径元件中频区域高频段波前均方根,针对不同离散采样方式的实验结果表明：33的采样方式能满足对410 mm410 mm口径元件中频区域高频段波前均方根的检测。     

子孔径拼接干涉检测实验研究

为了满足国内ICF系统大口径光学元件的检测需要,提出了子孔径拼接干涉检测的方法。该方法是利用小口径干涉仪对大口径光学元件进行高精度波前检测。建立了拼接检测计算的模型。利用最小二乘法计算得到拼接参数,从而恢复大口径光学元件的全孔径波前相位分布。在理论分析的基础上设计了一套检测装置,对该装置的稳定性进行了实验研究。进行了两口径拼接检测的实验。拼接结果与全孔径检测结果进行了比较。结果表明,该检测方案能够满足大口径光学元件的检测要求。     

大口径干涉仪系统传递函数校准

 波前功率谱密度(PSD)被用于评价ICF激光驱动器光学元件在中频区域的波前误差。目前主要采用大口径相移干涉仪检测ICF光学元件的波前畸变,通过付立叶变换获得波前的PSD分布。相移干涉仪在较高空间频率分量的测量上存在失真效应,因此需对干涉仪的空间频率传递函数进行校准。本文采用位相比较法测量大口径相移干涉仪的系统传递函数。我们采用衍射光学元件的制造工艺,设计、制作了标准的透射和反射位相元件,比较理论计算值与实测PSD值,分别获得了大口径相移干涉仪透射、反射测量模式的系统传递函数。     

大口径干涉仪系统传递函数校准

波前功率谱密度(PSD)被用于评价ICF激光驱动器光学元件在中频区域的波前误差。目前主要采用大口径相移干涉仪检测ICF光学元件的波前畸变,通过付立叶变换获得波前的PSD分布。相移干涉仪在较高空间频率分量的测量上存在失真效应,因此需对干涉仪的空间频率传递函数进行校准。本文采用位相比较法测量大口径相移干涉仪的系统传递函数。我们采用衍射光学元件的制造工艺,设计、制作了标准的透射和反射位相元件,比较理论计算值与实测PSD值,分别获得了大口径相移干涉仪透射、反射测量模式的系统传递函数。     

平面数控抛光工艺优化技术

为了满足“神光”-Ⅲ装置对大批量大口径光学元件的需求，解决加工精度以及加工效率等方面的问题，对计算机控制光学表面成型技术（CCOS）进行了多方面的研究。在对平面数控软件进行了深入的研究工作后，结合高精度干涉检测手段，对数控工艺软件进行了大幅的改进。     

高功率激光光学元件面形参数表征

 针对神光-Ⅲ原型装置使用的光学元件,基于国内光学元件加工现状,结合空间频段的概念,对高功率固体激光驱动器所需光学元件不同的面形评价参数进行了阐述。结合对激光远场焦斑的影响,对面形评价参数的重要性进行了举例说明。提出了面形的综合评价方式,全面界定面形各项评价参数,对光学元件的评价具有一定的参考价值。     

高功率激光光学元件面形参数表征

针对神光-Ⅲ原型装置使用的光学元件,基于国内光学元件加工现状,结合空间频段的概念,对高功率固体激光驱动器所需光学元件不同的面形评价参数进行了阐述。结合对激光远场焦斑的影响,对面形评价参数的重要性进行了举例说明。提出了面形的综合评价方式,全面界定面形各项评价参数,对光学元件的评价具有一定的参考价值。     

使用子孔径拼接法检测大口径光学元件

为了解决大口径光学元件检测过程中成本高、空间分辨率低这两个主要难点 ,提出了使用小口径、高精度干涉仪分次检测大口径元件 ,然后通过优化算法将检测结果进行拼接处理 ,最终得到原大口径元件波前信息的方法 ,并作了初步的拼接模拟实验 ,确认了这一方案的可行性。     

波前功率谱密度函数评价方法探讨

 波前功率谱密度PSD（Power Spectral Density）能定量给出波前畸变的空间频率分布、限定波纹度和粗糙度指标，全面反映ICF驱动器对高功率激光光学元件加工质量的特殊要求。给出了波前功率谱密度PSD的定义及计算方法，并使用大口径相移干涉仪作为波前检测仪器，对光学磷酸盐钕玻璃透射波前进行了测试实验，获得波前一维PSD分布，证实功率谱密度为高功率激光光学元件波前参数的一种有效表征方式。同时，还对PSD与均方根RMS之间的关系进行了初步的讨论。     

“神光Ⅲ”装置靶场结构设计

“神光Ⅲ”主机装置作为世界第三大ICF激光装置,其靶场具有光路排布复杂、物理诊断设备多和结构庞大、繁多及空间复杂等特点。如何满足靶场中数以百计的光学元件极为苛刻的微米级稳定性要求,合理设计结构空间布局保证具有百级洁净度要求光学元件的在线安装和更换,以及超大尺度铝制真空靶室、巨型钢结构光学平台一编组站等单元结构设计都是装置靶场系统结构设计的关键。我们采用靶场总体稳定性分析、三维设计及虚拟仿真技术、模块化、插件化等设计方法,完成了“神光Ⅲ”主机装置的靶场结构设计。     

子孔径拼接技术应用的研究

大口径光学元件的检测开拓了子孔径拼接应用的新领域。采用小口径干涉仪对大口径被测元件不同区域进行波前检测,然后恢复计算出被测波前。使用光学设计软件ZEMAX对子孔径检测拼接技术进行了模拟,模拟结果表明：波前检测相对误差小于4.3λ‰,实现了对大口径光学元件面形的高精度检测,避免了相同口径检测干涉仪的使用,降低了检测成本及难度。     

波前功率谱密度函数评价方法探讨

波前功率谱密度PSD（Power Spectral Density）能定量给出波前畸变的空间频率分布、限定波纹度和粗糙度指标,全面反映ICF驱动器对高功率激光光学元件加工质量的特殊要求。给出了波前功率谱密度PSD的定义及计算方法,并使用大口径相移干涉仪作为波前检测仪器,对光学磷酸盐钕玻璃透射波前进行了测试实验,获得波前一维PSD分布,证实功率谱密度为高功率激光光学元件波前参数的一种有效表征方式。同时,还对PSD与均方根RMS之间的关系进行了初步的讨论。     

利用分形法表征光学元件中高频相位畸变

针对神光Ⅲ主机装置使用的光学元件,基于分形理论,分析中高频相位畸变的统计分布特征,指出其满足分数布朗随机场,并利用结构函数法对分形维数进行计算,统计结果显示,大口径钕玻璃片的分形维数在2.34~2.43之间。利用局部稳态的随机中点位移法,提出一种新的表征光学元件相位的方法,将分形维数作为参数,可衡量中高频相位畸变,对高功率激光光学元件的评价有参考意义。     

利用分形法表征光学元件中高频相位畸变

针对神光Ⅲ主机装置使用的光学元件,基于分形理论,分析中高频相位畸变的统计分布特征,指出其满足分数布朗随机场,并利用结构函数法对分形维数进行计算,统计结果显示,大口径钕玻璃片的分形维数在2.34~2.43之间。利用局部稳态的随机中点位移法,提出一种新的表征光学元件相位的方法,将分形维数作为参数,可衡量中高频相位畸变,对高功率激光光学元件的评价有参考意义。     

干涉仪系统传递函数测量及影响因素的分析

波前功率谱密度(PSD)被用于评价惯性约束聚变(ICF)激光驱动器光学元件中频段的波前误差。干涉仪对PSD较高空间频率分量的测量存在失真效应,可通过干涉仪系统传递函数(STF)的检测标定来获得真实的波前PSD分布。采用台阶板位相比较法测得大口径菲索相移干涉仪检测系统在透射和反射检测情形下的传递函数。对传递函数测试算法进行了比较分析,明确了干涉仪系统zoom倍率的改变等因素对传递函数测量的影响,为波前PSD的准确检测奠定了基础。     

光学元件波前畸变对驱动器光路设计的影响

高功率激光驱动器光路设计要考虑像传递、鬼像规避和杂散光管理等多项优化措施.基于衍射光学传播理论,从输出负载能力提升的角度研究大口径光学元件波前特性对驱动器光路设计参数优化的影响.研究表明,驱动器末级光路的排布间隔如果控制在6 m以上,将非常有助于提高激光驱动器的输出负载能力.一般情况下,波前峰谷值达到0.34λ的单块大口径光学元件能使高功率激光的近场光束质量最大下降约10%,达到1.36λ后最大下降约21%;波前分布特性不同的多片大口径光学元件的波前相消叠加有利于降低中频波前部分对装置负载能力的影响,但是,大口径光学元件的非线性效应会加重中频波前对装置输出负载能力的影响;在限定大口径元件损伤阈值20J/cm~2的前提下,光路排布紧凑的激光驱动器末级输入激光通量控制在16.8J/cm~2之下不易损伤光学元件.相对宽松的光路设计可以进一步提高末级输出激光的平均通量水平,非常有利于激光驱动器装置输出负载能力的提升.     

激光聚变研究中心激光技术研究进展北大核心CSCD

介绍了中物院激光聚变研究中心在神光-Ⅲ主机装置建设、大口径高通量验证实验平台研制、神光-Ⅲ原型装置运行与性能提升、支撑激光驱动器建设的精密装校与洁净处理技术和精密光学检测技术、星光-Ⅲ激光装置建设、PW量级全光参量啁啾脉冲放大系统技术以及高功率波导激光技术等方面的主要研究进展情况。     

高分辨率波前检测技术

针对“神光”Ⅲ原型装置的要求，开展了高分辨率波前检测总体设计及制造关键技术的研究，研究内容包括高分辨率波前检测设备总体方案设计、高分辨率子干涉仪光学总体方案设计和光学设计结果、拼接算法研究及精度分析，以及拼接试验结果和提高检测精度的改进方案等。本报告重点阐述了高分辨率波前检测设备总体设计方案、子干涉仪光学设计结果、初步拼接试验及结果分析。