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。     

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。     

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。     

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。     

强光光学元件波前检测算法

针对强光光学元件高精度检测中使用的两个新参数一——波前位相梯度和功率谱密度的数值计算方法进行了研究，并对目前使用的大口径干涉仪传递函数进行了实验标定。     

近红外瞬态脉冲波前高精度干涉检测技术

惯性约束聚变(ICF)系统中高能瞬态脉冲激光由于脉冲时间短、能量高、波前畸变大,通常的检测方法难于检测脉冲激光波前。提出了一种基于空间相位调制技术可用于近红外瞬态波前高精度检测的环形径向剪切干涉仪。该系统可以以30~150 mm的圆瞳和方瞳口径、对波长为1064 nm的近红外纳秒级脉宽的脉冲激光波前实现共路、无参考面的瞬态、高精度的检测。系统的波前重构理论经过计算机仿真验证,精度达1/1000λ以上;检测结果与ZYGO数字波面干涉仪进行了比对,峰谷值、均方根值均优于1/15λ,并具有很好的可重复性。该系统目前已用于惯性约束聚变系统的脉冲检测,并且该技术适用于各种可见光和红外波段激光。     

子孔径拼接干涉检测及其精度分析

介绍了利用小口径干涉仪检测大口径光学元件的方法，从统计的角度出发，详细地推导了子孔径拼接干涉检测技术中拼接参量的具体求解过程，以及使用统计回归方法分析了拼接检测系统精度。并通过实验对该理论进行了实际分析运算。     

?500 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。     

φ500 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.     

?500 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。     

基于本征正交分解函数的波前动态高分辨率重构

 应用Hartmann波前传感器测量了准直平行光通过低速热射流后的畸变波前时间序列,对该时间序列进行本征正交分解得到系列本征函数和时间系数,对本征函数进行双线性插值处理得到未布置探测器处的本征函数值,新本征函数与时间系数相乘从而获得未布置探测器处的波前数据。在时域和频域比较了波前预测值与实际值,结果表明了该插值方法的有效性,从而实现对波前的高时间、高空间分辨率测量。     

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。     

高分辨率空间光学遥感器波像差的无波前传感器自适应光学校正

高分辨率空间光学遥感器在轨工作时,由于受到各种因素的影响,无法清晰成像,目前多采用自适应光学方法与技术进行校正.传统自适应光学系统体积较大,结构复杂,难以应用于高分辨率空间光学系统的在轨校正.无波前传感器自适应光学系统去除了传统自适应光学中的波前传感器,大大简化了系统结构,具有体积小、易于实现等优势,特别适用于高分辨率...     

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.     

大口径反射镜波前畸变控制技术

依据高功率固体激光装置对大口径反射镜附加波前畸变的严格要求,通过选择适合的结构形式、材料及连接方式和支撑位置设计了大口径反射镜支撑结构,并对其进行了优化分析计算和验证性试验。面形精度试验结果表明：装夹引入的附加波前畸变的峰谷值（PV 值）约为150 nm,小于/3(=632 nm),结构满足设计指标要求。     

强激光系统光学元件波前相位梯度分析

介绍了在高功率固体激光系统中用于评价光学元件对光束聚焦特性影响的参数——波前相位梯度及其检测原理和计算方法,并与常用的光学元件评价参数P V值、RMS值以及新引入的评价方式——PSD进行了比较。得到了高功率激光系统中几种典型光学元件的相位梯度分析结果,结果表明利用相位梯度分析方法能够有效的对光学元件的加工质量进行评价。     

强激光系统光学元件波前相位梯度分析

 介绍了在高功率固体激光系统中用于评价光学元件对光束聚焦特性影响的参数——波前相位梯度及其检测原理和计算方法，并与常用的光学元件评价参数P V值、RMS值以及新引入的评价方式——PSD进行了比较。得到了高功率激光系统中几种典型光学元件的相位梯度分析结果，结果表明利用相位梯度分析方法能够有效的对光学元件的加工质量进行评价。     

空间光学的发展与波前传感技术

摘要：进入21世纪，国际上一些发达国家和有关部门都已制定了空间发展战略规划，如美国航空航天局（NASA）、欧洲空间局（ESA）和俄罗斯政府相关部门等都提出空间发展战略规划，这些规划提出了今后一段时间内空间科学要解决的问题和发展的方向，而解决这些问题并推进空间技术的发展很大程度上依赖于先进的光学和无线电望远镜及仪器设备。因此，本文介绍本世纪初国际上空间科学应用的大型天文望远镜的发展情况，重点描述了大口径光学望远镜的光学系统以及实现这类天文望远镜的关键技术之一一波前传感技术。     

大口径激光波前测量方法

采用大型透镜阵列对激光波前进行采样，实现了对宽光束的测量。大口径激光束经过大型透镜阵列进行采样形成光斑点阵，通过成像系统，获取点阵图像，得到激光束波前信息，根据激光传输理论和光学系统像差理论，已知激光束的波前函数和强度分布时，可以求出激光束会聚后在焦面处任意位置的光强，因此激光束的波前、发散角、近场分布、远场分布等参数能够通过测量求解得到。     

实现控制波前传播的纯相位衍射光学元件的设计

基于投影限制集算法（ＰＯＣＳ），设计出用一个纯相位调制的衍射光学元件实现控制光波前在三维区域之内的传播，将输入的高斯光束变换为沿纵向调制的等光强的２×２光束阵列。模拟计算表明，该算法在控制光波前传播方面是有效的。