衍射光学在ICF激光驱动系统中的应用研究

摘要

该论文以中国ICF驱动装置神光Ⅲ及其原型样机TIL的研制为背景,以发展衍射光学技术、满足神光Ⅲ对DOE的迫切需求为目标,对应用于ICF驱动系统中的三种重要衍射光学元件CSG、BSG、PCP的设计、制作及应用中的相关问题进行了深入、系统的研究.根据ICF终端光学系统对谐波分离的实际要求,采用激光直写图形、根据光栅周期大小利用湿法或干法刻蚀成形的方法在国内首次制作成功φ100mm等多种口径的CSG,并在高功率固体激光装置星光-Ⅱ上完成了元件性能的实验研究;通过理论分析,建立了CSG结构的加工误差模型,系统地研究了各种结构参数误差对CSG性能的影响,提出了CSG的加工精度要求,这对确定CSG的制作工艺具有指导意义.根据ICF终端光学系统对激光取样技术的要求,分析了BSG结构参数与其取样效率和分离角的关系;在此基础上,发展了电子束直写掩模曝光和光学全息曝光两种制作BSG的方法,分析比较了两种方法的优缺点,并进行了实验验证.同时结合ICF系统对元件多功能集成的需求,提出采用灰阶编码掩模方法制作CSG/BSG功能集成元件,该方法只需一次光刻制作集成DOE,且能通过掩膜编码预补偿设计改善光刻图形质量,为制作集成DOE提供了一种有效新方法.根据ICF多层放大系统对光束波前控制的要求,提出采用PCP校正静态波前畸变,并对元件的理论设计和加工制作进行了研究,取得了重要结果.

目录

文摘

英文文摘

第一章引言

§1.1激光惯性约束聚变系统

§1.1.1 ICF原理及驱动方式

§1.1.2 ICF“快点火”方案

§1.1.3 ICF研究现状

§1.2衍射光学

§1.2.1衍射光学的发展概数

§1.2.2衍射光学元件的优点

§1.3衍射光学在ICF驱动系统中的应用

§1.3.1 ICF系统对DOE的要求

§1.3.2 ICF系统中DOE的应用现状

§1.4本论文的主要内容

参考文献

第二章标量衍射理论及光传输快速模拟计算

§2.1标量衍射理论

§2.2光传输模拟计算

§2.2.1快速算法的理论分析

§2.2.2根据衍射距离划分菲涅耳衍射区

§2.2.3快速傅立叶变换数值计算的改进

§2.2.4光传输快速数值计算的程序实现

§2.3小结

参考文献

第三章衍射光学元件的设计及制作工艺

§3.1衍射光学元件的设计方法

§3.1.1 GS(Gerchberg-Saxton)算法

§3.1.2杨-顾(YG)算法

§3.1.3模拟退火(SA：Simulated Annealing)算法

§3.1.4遗传算法(Genetic Algorithm)

§3.1.5追迹法(Genetic Algorithm)

§3.2衍射光学元件的制作工艺

§3.2.1多台阶衍射光学元件的制作

§3.2.2连续浮雕结构衍射光学元件的制作

§3.3石英基片的湿法刻蚀工艺研究

§3.3.1影响蚀刻速率的主要因素

§3.3.2影响蚀刻边缘陡度的因素及其改善措施

§3.4小结

参考文献

第四章色分离光栅

§4.1谐波分离技术分析

§4.1.1ICF驱动器终端光学系统

§4.1.2 ICF驱动系统对谐波分离的要求

§4.1.3现有的谐波分离技术

§4.2色分离光栅理论分析

§4.2.1 CSG原理及性能

§4.2.2 CSG制作误差理论分析

§4.2.3 CSG对波前畸变的宽容度

§4.3加工制作及实验

§4.3.1制作大面积CSG的技术路线

§4.3.2大面积CSG的制作

§4.3.3 CSG谐波分离实验

§4.4小结

参考文献

第五章光束取样光栅

§5.1终端光学系统光束取样技术分析

§5.1.1ICF系统中的光束取样技术

§5.1.2应用于终端光学系统的光束取样技术

§5.2光束取样光栅理论分析

§5.2.1 BSG取样原理分析

§5.2.2 BSG结构参数分析

§5.3设计制作及实验

§5.3.1电子束直写掩模曝光法

§5.3.2光学全息曝光法

§5.4谐波分离、光束取样集成元件

§5.4.1多次曝光制作BSG/CSG集成元件

§5.4.2灰阶编码掩模制作BSG/CSG集成元件

§5.5小结

参考文献

第六章静态位相校正板

§6.1多层放大系统

§6.2静态位相校正板

§6.2.1静态波前畸变分析

§6.2.2位相校正板的设计及模拟分析

§6.3小结

参考文献

第七章总结

声明

致谢

附录1 攻博期间发表的主要论文

附录2 攻博期间参与的科研任务

附录3 攻博期间获得的主要奖励