光谱色散和分布式相位板联用对靶面辐照均匀性的改善

通过对分布式相位板和光谱色散匀滑技术联用的模拟计算,分析了联用实验中焦斑的变化,论证了非设计采样点光强的不可控性对焦斑匀滑质量的损害。模拟结果证实了光谱色散匀滑技术对色散方向上的焦斑均匀性的改善,焦斑不均匀性由58.30%降为19.50%。通过分析焦斑不均匀性与光谱色散匀滑积分时间的关系,发现5~6个光谱色散匀滑调制周期时得到最优匀滑效果。对焦斑频谱的分析显示,光谱色散匀滑技术可以有效抑制由非设计采样点光强引入的高频成分,26.3μm内的光强调制被平滑,同时很好地保持了由分布式相位板决定的焦斑低频包络,在实验与模拟中均得到很好验证。为进一步的分布式相位板与光谱色散匀滑技术联用设计提供了理论依据。     

分布式相位板联合二维谱色散匀滑的实验研究

在神光II九路装置上,利用谱色散匀滑(SSD)技术结合分布式相位板(DPP)技术,研究了激光焦斑在一维、二维谱色散匀滑下的分布。结果表明,一维谱色散匀滑使焦斑的焦斑通量对比度由0.7634[均方根(RMS)]下降到0.3685(RMS),结合二维匀滑下降到0.2638(RMS);并结合各种评价方法对焦斑进行分析。实验为谱色散匀滑技术在神光II在线应用提供了参考。     

光谱色散平滑的实验研究

为提高国内惯性约束聚变(ICF)装置的焦斑平滑能力,在对光谱色散平滑(SSD)技术理论分析的基础上,开展相关实验并研究其平滑机制。实验结合另一种焦斑平滑技术———分布式相位板(DPP)比较分析光谱色散平滑技术应用下的焦斑均匀性的变化。实验表明,利用光谱色散平滑技术中的正弦相位调制对光谱展宽并色散后,在色散方向上的焦斑均匀性有明显改善,120μm内的光强调制被平滑,其平滑能力依赖于光谱色散平滑技术参量的选择;焦斑的低频光谱强度变化很小,但中高频光谱强度下降,焦斑质量有良好的改善,焦斑的不均匀性从40%降低到12.5%。结果还表明,光谱色散平滑技术中的关键是色循环的产生,光谱本身加宽产生的平滑作用非常有限。     

多色光谱色散匀滑技术参数对集束辐照特性的影响

针对惯性约束聚变装置中多色光谱色散匀滑技术在集束中的运用,提出了对电光调制器、色散光栅和连续相位板(CPP)等主要单元器件进行独立设计和优化的思路。基于这一思路,分别模拟和分析了电光调制器、色散光栅和CPP等单元器件的参数对集束辐照特性的影响。提出了优化的多色光谱色散匀滑方案参数,并仿真了束匀滑参数对激光束纵向成丝特性的影响。结果表明,通过优化不同子束的电光相位调制器和色散光栅参数,可以进一步改善靶面的辐照均匀性。当集束中各子束采用不同的CPPs时,焦斑均匀性得到有效改善,热斑比例明显降低。采用功率谱密度对激光束的光束质量进行分析,结果表明多色光谱色散匀滑方案能有效降低峰值强度,使光强分布更加均匀,从而有利于抑制激光束成丝。     

位相叠加效应对连续位相板束匀滑特性的影响

在大型激光系统的运行过程中，为了对相位畸变导致的焦斑分布不均匀进行改善，在光路通常会使用连续位相板(CPP) 来进行远场束匀滑。根据CPP 面型的随机特性，利用统计的方法对位相板与畸变波前相位的叠加特性进行了计算，系统研究了连续位相板对光束波前分布实现控制的机理。从CPP面形的概率密度与远场直方图之间的关系出发，推导了畸变波前通过CPP 后远场光强分布的表达式，从理论上解释了这种束匀滑器件的工作原理及特性。通过数值模拟计算了不同畸变光束经过CPP后的远场直方图，对结果进行比较并分析了不同面型特性对最终束匀滑效果的影响。结果证明:位相板能在焦斑光强上起到卷积滤波的作用，从而实现光束匀滑效果。从原理上解释了CPP 在具有小相关长度时具有更高匀滑效果这一特性，为实际面型设计和优化提供理论基础。另外，应用统计几何光学方法进行分析，可有效降低波前叠加分析的难度。     

与光谱色散匀滑技术联用的衍射光学器件的优化设计

基于空间频谱,对光谱色散匀滑(SSD)技术与衍射光学器件(DOE)联用的焦面光强分布进行了严格的理论分析。与光谱色散匀滑技术联用前后,衍射光学器件焦面光强分布均可转化为一系列不同频率、不同复振幅的正余弦函数的叠加。光谱色散匀滑技术对衍射光学器件焦面光强分布空间频谱进行调制,该调制不仅与光谱色散匀滑参数,还与衍射光学器件相位分布有关。该技术使得衍射光学器件焦面光强分布变得更平缓,但要获得良好的联用性能,需根据光谱色散匀滑参数进行衍射光学器件的优化设计。在某一给定的光谱色散匀滑参数条件下,进行了衍射光学器件的优化设计。结果表明,与光谱色散匀滑技术联用后,衍射光学器件对入射波前畸变的宽容度有较大提高。     

基于相位板旋转排布的超快束匀滑方案

提出了一种基于相位板旋转排布的束匀滑方案,通过在激光集束中以旋转方式排布具有旋转非对称性的相位板,为集束中各子光光束提供不同的空间相位调制,进而利用存在一定波长差的子光束在靶面的动态干涉,使得焦斑内部散斑在多方向、多维度快速扫动,从而达到在皮秒时间尺度内改善焦斑均匀性的目的。以2×2集束为例,通过建立基于相位板旋转排布的束匀滑方案物理模型,分析了相位板参数、排布方式、激光束相位畸变参数以及空间偏差对束匀滑效果的影响。结果表明,在基于相位板旋转排布的束匀滑方案中,仅需同时加工多套参数相同的相位板,即可降低相位板的设计、加工难度。此外,该方案的束匀滑效果受激光束相位畸变、相位板排布方式以及空间偏差的影响较小。     

基于集束多频调制的光谱色散匀滑技术

在激光驱动惯性约束聚变研究中,激光等离子体相互作用是影响点火的重要原因之一;为了抑制激光等离子体的不稳定性,诸多光束匀滑技术应运而生,并得到广泛应用。为了获得更匀滑的焦斑,提出集束多频调制光谱色散匀滑(SSD)技术,并对其进行了理论研究;该技术采用多束激光集束聚焦打靶,利用单频调制单光束,利用不同的频率调制不同的子束。结果表明,该技术可以有效抑制多光束干涉导致的强度调制,改善了远场光强分布的均匀性,并且在采用更接近实际情况的色循环数时,具有比传统多频调制SSD技术更好的匀滑效果。     

用于背光照明的大口径连续相位板设计和制作

连续相位板(CPP)是大型激光装置中用于控制光束形状、能量和波前分布的一种重要衍射光学元件。为改善聚焦光束的质量,建立了基于现有工艺的大口径CPP理论设计模型,优化了传统衍射元件设计算法。采用该算法设计了用于背光照明的Ф330mm CPP,开展了数控化学抛光制作CPP试制,并在大型激光装置上开展了验证实验。结果表明,基于工艺改进算法设计的CPP具有更好的加工特性和焦斑性能,基本实现了整形和匀滑性能,能够较好满足现有工艺约束条件和物理需求。     

畸变光束远场光强叠加特性研究

在远场将阵列激光的光强进行叠加是获取高功率激光输出的一种有效方法,由于激光在传输过程中会产生波前相位畸变,进而导致远场光强分布不匀滑。基于惠更斯-菲涅耳原理,建立了多束具有随机相位畸变的二维矩形阵列高斯光束非相干合成模型。模拟了光强合成过程远场焦斑的质量变化,计算了远场焦斑RMS和PSD与合成光束数量之间的关系。结果表明:光束非相干合成不仅能够有效提高激光的输出功率,还可以使畸变光束合成后的焦斑分布更加匀滑,提高光束的质量。     

谱色散均匀化的计算研究

利用光传输理论对ICF驱动器中使用的光谱色散平滑(SSD)技术作了理论分析，并结合典型的随机相位板(RPP)技术，用计算机模拟了使用光谱色散平滑技术前后激光靶面辐照不均匀性的变化及其技术中不同带宽和调制频率下激光靶面辐照不均匀性的变化。     

随机相移激光的远场光斑研究

从理论上分析了激光经随机位相板变换后在远场的光斑特性(包括光斑的形状、大小、旋转对称性、衍射效率以及旁瓣分布),通过比较三种形状位相元(等边三角形、正方形和正六边形)的远场光斑特性,得知正六边形位相元结构的随机位相板更适合于激光聚变中的束匀化.     

偏振控制板对干涉斑纹的匀滑特性

对偏振控制板匀滑随机位相板产生的干涉斑纹的特性进行了理论分析和数值模拟 ,用叠加在光强包络上的斑纹对比度来评价偏振控制板的匀滑作用 ,结果表明结构最简单的二单元偏振控制板对远场光斑具有最佳匀滑效果。     

均匀照明用衍射光学器件的空间频域优化设计方法

为改善衍射光学器件(DOE)在均匀照明系统中的应用性能,提高元件优化设计的效率,提出了衍射光学器件的空间频域优化设计方法。基于对均匀照明系统焦面输出光强分布的空间频谱分析,从空间频域的角度,指出通过控制焦斑中的低频调制成分,能够进一步提高实际均匀照明的效果。在此基础上,该优化方法通过在频域内设定优化目标和费用函数,来确定优化方向,可以有效减少输出光强分布中的低频调制成分。应用该方法所得一维多台阶相位型衍射光学器件的设计结果表明,在考虑空间20μm匀滑后,焦斑主瓣光强均方差为3.3%。与已有空间域优化方法的对比表明,在元件实用效果方面,空间频域优化设计方法优于空域方法。     

连续位相板磁流变加工中高精度边缘延拓技术

为了提高磁流变加工连续位相板边缘加工质量，实现元件全口径抛光，必须对元件原始误差面形进行边缘延拓，针对现有边缘延拓算法的不足，提出了采用改进的二维Gerchberg带宽受限延拓算法实现连续位相板元件面形频域匹配的边缘延拓。该方法首先采用复调制频谱放大技术Zoom FFT对元件原始误差面形进行频谱分析，计算其高低截止频率；然后采用改进后的二维Gerchberg带宽受限延拓算法进行迭代计算，在原始面形外围延拓出与原始面形同频的高精度延拓结构面形。采用尺寸为100 mm100 mm具有复杂频谱结构的连续位相板元件进行边缘延拓和磁流变加工实验，实验结果表明:采用改进的Gerchberg边缘延拓技术延拓的面形边缘更加规整，边缘效应影响半径由5 mm减小到2 mm，面形残余误差RMS从19.3 nm减小到了9.7 nm。这说明该边缘延拓技术可以明显提高连续位相板面形的边缘加工质量和整体收敛精度。