ICF中的衍射光学元件及均匀照明系统的设计和实验分析

摘要

在激光驱动的惯性约束核聚变(ICF：Inertial Confinement Fusion)中，要求大功率激光在靶面上实现平顶、陡边、低旁瓣的均匀照明。国内外实现光强匀滑的方案是CPP(Continuous Phase Plate)、光谱色散匀滑(SSD：Smoothing bvSpectral Dispersion)以及正交偏振匀滑(PS：Polarization Smoothing，即双折射晶体光楔)、多光束迭加等多种方法组合，并且在不断提高CPP设计性能、提高对波前畸变的宽容度、对SSD参数进行优化选取以获得更好的靶面均匀照明性能。 本论文的研究工作主要在国家高科技研究发展计划(863计划)重大专项课题(863-804)“用于惯性约束核聚变的大尺寸衍射光学元件的设计与制造”，及随后的“靶面激光光强匀滑技术研究”资助下，开展的工程应用性研究。研究围绕“ICF中的衍射光学元件及均匀照明系统的设计”这个主题展开，主要内容分为三大部分： 第一部分，用于均匀照明的大尺寸衍射光学元件的设计。在第二章罩系统的研究、归纳了当前已有衍射光学元件(DOE：Diffractive Optical Elements)的各种直接设计方法，包括DOE设计的迭代算法、优化算法及两者相结合的杂化算法。并且给出了接收面焦斑的质量评价标准，在后面的章节中进一步把功率谱密度引入光场的评价中。在第三章罩主要针对神光系统中元件尺寸大、系统复杂，多种横向对准、光束抖动及光束尺寸控制困难，分析大尺寸DOE对横向位置误差的宽容性。分析从DOE在实际应用的入射光与设计使用的入射光口径、形状不同时的均匀照明性能变化规律及各子单元的对称性开始，揭示现有的整块设计的DOE在应用上的缺陷，提出一种改进的分区域DOE的间接设计方法。这种设计算法分为两步，第一步用迭代算法设计DOE恒被照明的区域，第二步用搜索算法设计剩余区域。这种方法可以设计在预定的照明口径范围内都保持较高匀滑性能的DOE，相当于在设计阶段就提高了DOE的照明口径宽容性和抗横向位置误差的能力。 第二部分，SSD和衍射光学元件的联合。随着研究的深入和国内制作工艺的成熟神光装置的光强匀滑系统中加入了时域匀滑的SSD系统。因为是初次尝试，研究工作从SSD的原理调研开始。从一维SSD和DOE的联合来寻找优化选取SSD关键参数的方法，给出了利于光束匀滑的SSD参数。随后将SSD模拟推广到二维，并且对比整合模拟和分元件模拟两种方法在速度上的优劣，选取分元件模拟方法作为模拟实验的方法。在模拟中考虑了采样间隔的精细化，讨论在SSD作用下光斑位置偏移导致的非采样点光强移入效应。后继的理论分析和模拟密切结合实验现场进行。证明发散球面波入射不影响SSD和DOE联合系统的匀滑性能。对于SSD的离线实验数据做了详尽的分析，对比在束匀滑系统中使用SSD前后焦斑的变化，印证了理论和模拟所预言‘的高频散斑抑制现象。 第三部分，引入湍流对激光的传输扰动实现焦斑的时域匀滑。提出将湍流气团扰动波前的方法引入光强匀滑系统，代替的是多维SSD的功能。湍流的理论描述和波在其中的传播，其他的应用领域的工作者已有详细研究，文中借用其他领域对湍流的统计描述方法。不过在多数应用领域中需要避免的湍流对波的传播的影响，在这里得到正面的利用。分析了对于聚焦系统中光强匀滑有重要影响的到达角起伏。主要研究手段还是集中在数值模拟上，采用的模拟方法是位相屏方法。详述可计入大尺度湍流效应的分谐波的位相屏产生方法。建立系统模型和数值模拟平台，设定具体参数，对整个湍流中波的传播和经过MPP以及会聚透镜的聚焦特性做了细致的模拟和分析。最后对湍流扰动方法在束匀滑中的应用做了初步实验得到高频成分被抑制的焦斑，与数值模拟分析的结论相一致。

目录

文摘

英文文摘

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第一章引言

1.1衍射光学元件简介

1.2惯性约束核聚变中的衍射光学

1.2.1惯性约束核聚变中的均匀照明

1.2.2均匀照明的实现方法

1.3本论文的主要内容和结构安排

参考文献

第二章用于ICF的DOE的设计原理与算法

2.1DOE的设计原理

2.1.1衍射光学元件的一般设计原理

2.1.2 ICF中的用于均匀照明的DOE的理论模型

2.2衍射光学元件的设计方法

2.2.1 DOE设计中的常用迭代算法

2.2.2搜索优化方法

2.2.3杂化算法

2.3对接收面光场的质量评价

2.4本章小结

参考文献

第三章大尺寸衍射光学元件分区域设计

3.1常规设计的MPP在多种形状、不同口径照明下的性能

3.1.1、圆形光入射时的焦斑均匀性分析

3.1.2、多种形状光照明下的MPP对称性分析

3.2分区域设计的MPP和它的照明口径宽容性能分析

3.3、本章小结

参考文献

第四章SSD和衍射光学元件的联合

4.1 SSD技术原理

4.2二维SSD技术

4.3 SSD参数选取

4.4二维SSD与MPP联用的模拟

4.5分元件模拟方法的应用

4.5.1经典采样间隔下的模拟

4.5.2精细化采样间隔下的模拟

4.6配合联用实验现场所作的理论分析----(发散)球面波入射对SSD匀滑效果的影响

4.6.1球面波入射对DOE光束整形的影响

4.6.2球面波入射对SSD匀滑尺度的影响

4.7实验数据的分析

4.8本章小结

附录1

附录2

参考文献

第五章提高焦斑均匀性的湍流扰动方法

5.1湍流气团中波的传播

5.1.1湍流的统计描述

5.1.2湍流气团对激光传播的影响

5.2数值模拟方法

5.2.1理论模型和算法

5.2.2位相屏的产生方法

5.3湍流扰动实现时域匀滑

5.4数值模拟结果和分析

5.5湍流扰动束匀滑的实验研究

5.6本章小结

参考文献

第六章总结和展望

6.1总结

6.2展望

攻读学位期间所做的工作

致谢