片状放大器的静态波象差及对激光束方向性的影响

用三平板同轴全息干涉仪,研究了通光口径为φ100mm磷酸盐钕玻璃片状放大器的静态波差畸变;用CCD扫描测出再现焦点的尺寸,由此给出静态波象差对激光方向性影响的定量结果。     

片状放大器系列的设计(物理参数)与研制

片状放大器系列,包括通光口径为φ100mm、φ150mm,φ200mm三种规格。本文论述了在高功率钕玻璃激光系统中,由于钕玻璃负载强度及非线性小尺寸自聚焦的限制,输出激光功率的提高总是以扩大工作物质的口径为代价。又由于钕玻璃的热导率低,大口径棒状放大器光泵热畸变比较严重,对激光束的质量影响较大。片状放大器是多灯面泵浦的,保证了光泵的均匀性,因而在大型钕玻璃激光系统中采用片状放大器是必要的。给出了片状放大器系列在设计中所考虑的问题:工作物质的选择、寄生振荡的抑制、光泵系统以及对钕玻璃片加工面     

大口径八边形钕玻璃片支撑系统的光机集成分析

控制由机械装夹方式所引入的波前畸变以提高惯性约束聚变(ICF)输出光束的质量,是在大口径钕玻璃片主放大器结构设计中必须考虑的。提出了一种新的有限元变形结果与光学元件面形畸变之间的数据处理方式,并与传统方式进行了对比。基于新的数据处理接口,利用光机集成分析方法对大口径八边形钕玻璃片的支撑系统结构设计参数进行优化。优化的结果保证了由支撑系统引起的透过波前畸变小于十分之一波长,同时波前畸变与设计参数变动的相关性最小。     

用于惯性约束聚变驱动器的静态相位控制元件

焦斑的尺寸和形状主要由光束的波前畸变决定。为了减小大口径激光系统的波前畸变并提高焦斑能量集中度,对静态波前畸变采用了相位板补偿的方法。对于在建中的原型装置,主要考虑补偿主放大系统的波前畸变。根据补偿板摆放位置处的光通量和加工的难易程度,综合考察了四个摆放位置的优缺点,提出用补偿板替代腔镜对波前进行补偿。建立了求解补偿板面形的数值计算模型,就设计时采用的钕玻璃片滤波截止频率做了讨论,得出用0.01 mm-1的截止频率做低通滤波后可以得到最佳补偿效果,给出了补偿板的面形分布和加工方法。模拟结果表明,采用这种方法后静态波前畸变由3.35λ降到1.27λ;包含总能量95%的衍射极限倍数由6.21TDL降到了3.95TDL,说明焦斑能量集中度得到显著提高。     

基于边缘加热的气冷钕玻璃放大器热波前畸变补偿

理论分析了基于边缘加热条件下气冷钕玻璃放大器的热致波前畸变,模拟计算了不同加热温度下钕玻璃片的温度分布和热波前畸变分布,并进行了实验验证。结果表明,数值模拟与实验结果能较好地吻合,在产热率为0.6 W/cm~3时,钕玻璃片产生的热波前畸变随着边缘温度的增加而减小,而当边缘温度达到90℃时,热波前畸变开始出现反转,随温度增加而增加。合理设计边缘加热结构和优化加热温度,能有效抑制气冷钕玻璃放大器的热波前畸变。     

400mm口径N41钕玻璃片的热效应

对应用于惯性约束聚变(ICF)激光驱动器的新型N41大口径钕玻璃片在高增益条件下的热效应进行了系统研究。实验结果表明,在平均小信号净增益系数达到0.0525cm-1的高增益情况下,385mm×385mm口径范围内两片双程的热致动态波前畸变的峰-谷值约为0.84λ(λ=1053nm),处于变形镜校正范围之内;基于目前的冷却方案,剩余波前畸变的恢复时间约为2.5h,满足系统每4h发射一次的设计要求;每次发射7h后,系统内仍存在热气体对流引入的微小畸变;理论预测结果与实验结果一致。该研究为下一代ICF激光驱动器内片状放大器系统的研制提供了实验参考。     

大口径反射镜的ANSYS有限元分析及实验研究

为了研究大口径反射镜的面形,在广泛调研大口径反射镜应力控制技术的基础上,从理论模型和实验两个方面同时进行。利用ANSYS建立大口径反射镜模型,得到其重力作用下的形变和受力面积变化的DPV-S关系曲线。建立了反射镜面形变化实验验证平台,对垂直放置的反射镜在不同方向上加力,利用干涉仪实测上侧面加压和背部支撑时的形变。实验验证了理论模拟结果,二者相差仅仅0.002μm～0.122μm。结果表明,这对今后进行类似的实验研究提供了值得借鉴的面形检测方法,为寻求优化的大口径反射面形控制装校方案奠定了基础。     

4×2×3片状放大器光束动态波前畸变实验研究

利用高空间分辨率的哈特曼波前传感器实验研究了新型阵列式大口径片状放大器的光束波前畸变特性。哈特曼波前传感器的微透镜阵列数为 3 2× 3 2 ,放大器的通光口径为 2 9cm× 2 9cm。在充电电压为 2 0kV、泵浦能密度为 7.2 8J/cm3的条件下 ,得到了放大器端部模块全口径范围内光束波前双程畸变量为 :P -V值为 1.613λ ,RMS值为 0 .3 99λ(λ=1.0 5 3 μm) ,并对实验结果进行了分析和讨论。     

200毫米的磷酸盐钕玻璃片状放大器

报导了200毫米的高功率磷酸盐钕玻璃片状放大器的研究工作。给出了放大器的增益系数与光泵能量的关系,并着重讨论了寄生振荡对提高片状放大器储能的影响。实验表明,在消除寄生振荡的情况下,片状放大器所达到的增益系数与理论预期的结果一致。 一台片状放大器,由三片200×400×40(毫米)的磷酸盐钕玻璃片按布氏角安放所组成,净通光口径为200毫米。周围有30支非均匀分布的氙灯,外径为17毫米,弧长1200毫米,总输入能量为36万焦耳。采用了引燃管内触发多灯点燃系统,解决了三十支氙灯在高电压下同时点燃的技术问题。     

大口径N31钕玻璃片高增益情况下热性能研究

大口径高通量验证实验平台(以下简称ITB装置)是我国为开展惯性约束聚变(ICF)研究而研制的激光装置,单束输出能量达到了19.6 k J(基频发射波长为1053 nm,脉宽为5 ns)。对大口径N31钕玻璃片在ITB装置400 mm×400 mm单口径片状放大器系统上应用的热特性进行了实验研究,结果表明:在增益系数为5.28%cm~(-1)高增益情况下,整个激光链路热致动态波前畸变峰谷值dPV约为5.3λ,处于变形镜校正范围之内;结合合理设计冷却方案,剩余波前畸变恢复时间约为2.5 h,满足了系统运行发次间隔为4 h的设计要求。     

400 mm口径片状放大器JG2钕玻璃增益与激光输出性能实验研究

介绍了用于惯性约束聚变研究高功率激光驱动装置400 mm口径片状放大器系统的JG2钕玻璃片激光增益与激光输出性能等实验研究结果。利用一组三片长的400 mm口径4×2组合式片状放大器系统开展的增益性能实验结果表明,系统工作电压31 kV时小信号净增益系数达到5.37%/cm,小信号增益倍数为1.284倍/片/程,发次运行完成后利用0.3 m/s的洁净干燥气体进行冷却,热恢复时间约为2 h;利用大口径高通量验证实验平台开展的实验结果表明,基于JG2与N41钕玻璃片的优化组合使用最高输出能量达到21.3 kJ/1053 nm,目前已稳定运行500余发,未出现包边胶层异常与材料体损伤等故障。     

气体冷却激光二极管抽运的固体激光放大模块设计及热管理研究

激光二极管抽运的固体激光器(DPSSL)成为实现下一代激光器驱动装置对能量转换效率和重复频率要求的重要途径。高重复频率导致介质内存在热积累,引起热光效应、弹光效应和形变,导致波前畸变的产生,影响光束质量。针对目标输出能量100J,重复频率10Hz的放大模块,分析其储能提取效率和增益性能,采用气体冷却技术,设计激光二极管抽运的片状放大模块结构。利用有限元数值分析方法,建立了该装置单片放大器热分析模型,研究了单片增益介质厚度、对流换热系数对波前畸变的影响,结合波前畸变的要求,得到了单片厚度的最优值,并对该设计进行热分析,利用超高斯光束近似抽运光源,结合氦气气流分布情况,模拟单片介质的温度、形变和应力分布,计算得到了热光效应、形变和弹光效应对波前畸变的贡献以及单片增益介质的总波前。     

10 PW级激光系统波前演变及分析

基于上海超强超短激光装置(SULF),选取各分系统关键节点进行波前测量,分析波前畸变的起源、演变及原因,并讨论了光学器件安装应力与钛宝石晶体质量对波前的影响。结果表明,激光波前畸变值随着大口径光学器件数量的增多而增大,光学镜片的面形加工误差、安装调试误差是影响钛宝石激光放大器中波前畸变的重要因素,对激光的聚焦性能有较大影响。对激光系统波前的测量有利于优化与控制整个系统的波前畸变,从而有助于提升光束质量和聚焦功率密度。     

间断多次氮气吹扫法提高片状放大器在线洁净度研究

高功率片状放大器在线运行时氙灯辐照导致片腔内产生大量气溶胶,易引起钕玻璃污染,影响其使用寿命。采用洁净氮气吹扫恢复片腔内的洁净环境是片状放大器在线运行时的主要洁净手段。研究了氮气吹扫过程中片腔内涡流对洁净度的影响,结果显示涡流对气溶胶颗粒的禁锢作用会导致腔内气溶胶颗粒的大量残留,且无法通过延长吹扫时间或调整吹扫流速加以解决。针对这一问题,提出了间断多次氮气吹扫对腔内气溶胶进行循环稀释的在线洁净控制方法,该方法使腔内涡流经历不断破坏和重建过程,涡流场内滞留的气溶胶颗粒含量也得到不断稀释,从而大幅提高片腔洁净度。针对Φ130mm单口径片状放大器进行了对比实验研究。采用间断吹扫法之后,腔内残留气溶胶颗粒为连续吹扫时的1/100,片腔洁净度在15h的观测时间内始终保持在40级以内。该方法普适有效,为避免片状放大器钕玻璃气溶胶污染,增加其在线使用寿命提供了重要参考。     

基于变形镜热形变预估模型的自校正效果分析

在波前校正过程中,变形镜(DM)在强激光连续辐照(CW)下会产生热形变,进而对入射光引入附加波前畸变,从而制约了变形镜的波前校正效果,致使光束质量改善效果变差。从变形镜热形变面形的Zernike多项式分解出发,建立了强激光连续辐照下变形镜的热形变预估模型,根据预估所得的热形变面形,模拟计算得到了变形镜的驱动器控制信号参数,进而驱动变形镜对其自身的热形变面形进行了实时补偿。仿真结果表明,该自校正方法能有效补偿变形镜自身的热形变面形,减小变形镜热形变对其校正能力的影响;采用局部换热方式只能在一定程度上减小变形镜形变面形引起的平移相差和离焦相差,对光束质量的改善效果也比较有限,而该自校正方法能有效减小热形变引起的光程差,从而对光束质量起到明显的改善作用。     

压电薄膜自适应变形微反射镜阵列研究

介绍了自适应光学系统中的一种全新的基于Pb（ZrxTi1-xO3）（PZT）薄膜的微反射镜阵列。通过控制PZT薄膜两端电压实现微镜单元的微量形变,改变反射镜局部面形,校正畸变波面的波差,改善成像质量。该方案在重掺杂Si片基底上依次制备PbTiO3（PT）、PZT,最后镀Al作为反射面,形成Si／Pr／PZT／Al的膜层结构。对制备完全的试片在数字波面干涉仪上进行了形变测试,尽管受到了薄膜热形变作用的影响,仍实现了约1．2μm的可控形变,证明该方案用做自适应变形反射镜的可行性。     

空间同轴三反相机φ520 mm次镜的加工与检测

为了满足空间同轴三反相机对大口径凸非球面高精度的面形质量和精确的几何参数控制要求,提出以计算机控制确定性研抛工艺为核心的多工序组合加工及检测技术。在加工阶段,首先利用超声振动磨削技术对非球面进行面形铣磨,其次应用机器人对非球面面形进行快速研磨和粗抛,最后采用离子束修形技术实现非球面的高精度加工;在检测阶段,首先利用三坐标测量机对铣磨和研磨过程中非球面的面形及几何参数进行控制,进入干涉仪测量范围后,再采用Hindle球法对非球面光学参数进行干涉检测。结合工程实例,对一口径520 mm的凸双曲面次镜进行了加工及检测,其面形精度RMS为0.015（=632.8 nm）,几何参数控制精度△R误差为0.1 mm、△K优于0.1%,满足光学设计技术指标要求。     

可用于小口径光束波前检测的横向剪切干涉仪

提出了一种可用于小口径光束波面检测的横向剪切干涉仪。该干涉仪由偏振分光棱镜、光轴与其表面平行的晶体平板、1/4波片、反射镜及CCD构成。被测光束由偏振分光棱镜进行透射起偏和反射检偏,利用反射镜的反射两次经过晶体平板、1/4波片来实现剪切光束的等光程干涉。通过晶体平板剪切复制波面以获得小的剪切量,可用于小口径光束波面的检测。晶体平板的旋转可以改变剪切量,实现了不同口径不同波前的光束波面检测。对该干涉仪进行了仿真分析,得到了不同入射角情况下的剪切干涉图,仿真结果与理论分析结果相一致。实验中,旋转晶体平板得到的剪切干涉图与仿真结果相一致,很好地验证了该剪切干涉仪的有效性。     

静电驱动连续面形微机电系统变形镜的制作

基于三层多晶硅表面加工工艺和自适应光学经验公式,设计并制作了一种静电驱动的16单元连续面形微机电系统(MEMS)变形镜(DM),并用ZygoNewView7300白光干涉仪对样片的静态特性和动态响应特性进行了测试。静态测试结果表明,器件在150 V电压下的最大形变量为0.667μm,相邻单元之间的交联值为9%,镜面位置重复性为10%。动态测试结果表明,器件对正弦驱动信号的响应时间小于30μs,响应曲线近似为一条余弦曲线,谐振频率为36 kHz。该变形镜可用于自由空间光通信、激光光束整形、波前畸变校正、投影显示、生物医学成像和人眼视差校正等重要领域。     

哈特曼-夏克波前探测器对传导冷却端面抽运板条激光放大器的波前畸变测试

固体激光器中热效应引起的波前畸变影响了高光束质量、高功率的激光输出,限制了它在当代工业加工和科学研究领域的应用发展。以激光波前畸变的产生机理和传导冷却端面抽运板条激光器的优势为切入点,利用哈特曼-夏克(H-S)波前探测器进行一系列的波前畸变测试。通过对静态波前畸变量、输出功率百瓦量级时的波前畸变量和输出功率千瓦量级的波前畸变量等结果进行数据分析,对实验进行反馈,提出改进意见,以期望进一步减少传导冷却端面抽运板条激光放大器的热效应。