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脉冲压缩光栅拼接的理论勺实验研究 中文摘要 脉冲压缩光栅拼接的理论与实验研究 中文摘要 论文围绕光栅拼接获得大面积衍射光栅这个目标进行了理论分析计算和实验研 究，主要包括以下几个方面。 首先介绍了惯性约束核聚变( i c f ) 的研究意义及目前国内外脉冲压缩光栅( p c g ) 的研究进展。对实现脉冲压缩光栅拼接的可行性进行了分析。 从理论上对光栅的拼接误差与衍射波像差对远场衍射光强分布的影响进行了演 算。引入了位移偏差、角度偏差和波像差等光栅拼接物理参数。利用远场衍射光强分 布函数与m a t l a b 程序对两块相同参数的无像差子光栅进行了模拟拼接，得出了远场 衍射光斑分布图样随拼接误差的变化规律和拼接误差精度要求。由于光栅衍射波像差 会对远场光斑有影响，进一步计算了两块参数完全相同的子光栅拼接时各种像差对远 场光斑特性和拼接精度的影响。如综合各种像差取p v 值为0 5 波像差，从远场衍射 光斑标准差( r m s ) 来看拼缝精度要求约为o 1 8 d 。 在实际拼接光栅时，由于子光栅拼接误差参数无法直接测量，引入了一种利用莫 尔条纹特性显示光栅拼接误差的方法，并对该方法的原理和误差进行了分析。同时由 于拍摄过程中干涉条纹会受外界因素发生漂移现象，介绍了控制干涉条纹缓慢漂移的 条纹锁定系统和消除条纹快速抖动误差的方法。其拼接精度可以达到：相位、角度偏 差约为0 1 个条纹，条纹抖动误差约为0 0 7 个条纹，空间频率差误差约为0 1 个条纹。 根据光栅拼接理论和拼接方案进行了单基片两次曝光的光栅拼接实验，并得到了 相应的过程和结论，说明我们提出的光栅拼接方案是完全可行的。 关键词：脉冲压缩光栅拼接莫尔条纹衍射波像差条纹锁定 作者：钱国林 指导老师：吴建宏 脉冲压缩光栅拼接的理论与实验研究 英文摘要 t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d yo fm o s a i c p u l s e - - c o m p r e s s i o n - - g r a t i n g a b s t r a c t i no r d e rt oa c h i e v el a r g e s c a l eg r a t i n gt h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a l s t u d yo n t h em o s a i cg r a t i n ga r ep r e s e n ti nt h i sp a p e r t h em a i nc o n t e n t sa r ea s f o l l o w s ： f i r s t l yt h es i g n i f i c a n c eo fr e s e a r c ho nt h ei n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o na n d t h ec u r r e n t p r o g r e s s o ft h e s t u d y o np u l s e c o m p r e s s i o ng r a t i n g a r e i n t r o d u c e d t h ef e a s i b i l i t yo f t i l i n gg r a t i n gi sa n a l y z e d t h ef a r - f i e l dd i f f r a c t i o np a t t e mi n f l u e n c e db yt h ee r r o ro fm o s a i cg r a t i n g s a n dd i f f r a c t i o nw a v ea b e r r a t i o ni st h e o r e t i c a l l yc a l c u l a t e d t h ep a r a m e t e ro f m o s a i cg r a t i n gi si n t r o d u c e d ，w h i c ha r et h ep i s t o n e r r o rt i p t i l te r r o ra n dw a v e a b e r r a t i o n f a r - f i e l di n t e n s i t yd i s t r i b u t i o nf u n c t i o n sa n dp r o g r a mo fm a t l a b a r eu s e dt os i m u l a t em o s a i cg r a t i n g sw h i c hh a v et h es a m ep a r a m e t e r s i th a s p r o v e dt h a tt h et r a n s f o r m a t i o no f f a r - f i e l dd i f f r a c t i o np a t t e r ni si n f l u e n c e db y t h et i l i n ge r r o r a n dt h er e q u e s to fe r r o ra c c u r a c ya l s oh a sb e e ne d u c e d t h e d i f f r a c t i o ng r a t i n gw a v ea b e r r a t i o ni m p a c t st h ef a r - f i e l dd i f f r a c t i o np a t t e m s o i t sc h a r a c t e r i s t i ca n de r r o ra c c u r a c yo ft h em o s a i cg r a t i n g si sa n a l y z e dw h e n t h et w og r a t i n g sh a v et h es a m ep a r a m e t e r s i ft h ew a v ea b e r r a t i o ni s0 5 五，t h e d e m a n do f t h et i l i n gp r e c i s i o ni sa b o u to 18 d i np r a c t i c et h em o s a i ce r r o rc a nn o tb em e a s u r e dd i r e c t l y , s ot h e c h a r a c t e r i s t i co fm o i r 6f r i n g eh a sb e e ni n t r o d u c e dt or e v e a lt h et i l i n ge r r o ro f t h eg r a t i n g s a n dt h em o i r 6f r i n g e st h e o r ya n dt h et i l i n ge r r o rh a v eb e e n a n a l y z e d i no r d e rt oa v o i dt h ep h e n o m e n o no fi n t e r f e r e n c ef r i n g em o v i n g ，a 脉冲压缩光栅拼接的理论j 实验研究 英文摘要 f r i n g el o c k i n gs y s t e mi s u s e dt oc o n t r o lt h em o i r 6 f r i n g e t h ep h a s i c d i f f e r e n c ea n dt h ea n g l ew a r po fm o i r 6f r i n g ec a na c h i e v eo 1 s t r i p e t h e w o b b l eo fm o i r 6f r i n g ei sa b o u to 0 7s t r i p e a n dt h ee r r o ro fs p a c ef r e q u e n c y i sa b o u to 1s t r i p e t h ep r o c e s sa n dc o n c l u s i o no ft h em o s a i cg r a t i n g se x p e r i m e n te x p l a i n s t h a tt h em o s a i cg r a t i n gt h e o r ya n dp r o j e c ta r ef e a s i b l e k e yw o r d ：p u l s ec o m p r e s s i o n ；m o s a i cg r a t i n g ；m o i r 6f r i n g e ；d i f f r a c t i o n w a v e f r o n ta b e r r a t i o n ；f r i n g el o c k i n g i l l w r i t t e nb y g u o l i nq i a n s u p e r v i s e db yj i a n h o n gw u 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或 其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责 任。 研究生签名：丛璺垫日期：型 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保存期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 研究生签名：辫囝啼坚一一 导师签名：塞遣孝 位办办理。 e t 期：塑 e l 期：兰f 脉冲压缩光栅拼接的理论o j 实骏研究第一章引言 第一章引言 1 1 惯性约束核聚变的研究意义 受控热核聚变是旨在获得原子聚变时产生的巨大能量，其实现方式有磁约束热核 聚变和惯性约束热核聚变等f l j 。随着强激光的迅速发展，惯性约束核聚变( i n e r t i a l c o n f i n e m e n tf u s i o n ) 成为可控热核聚变最有前途的方法之一，其可行性已被充分证 明【2 ，3 】。i c f 技术的发展和成熟，对人类了解核物理规律和解决世界范围内的能源危机 起着重要的作用。 i c f 的基本原理是：在极短时间( 纳秒量级) 内将兆焦耳量级的脉冲激光或离子 束均匀地照射氘、氚( d t ) 燃料靶丸，由靶面物质溶化而产生的反冲力，使靶内物质极 快地向中心运动，压缩氟氖燃料层达几百克每立方厘米的极高密度，馒中心氛氛区域 形成高温高密度热斑。由于惯性，在高温高密度热核燃料来不及飞散之前，达到聚变 反应条件，并逐步点燃热斑周围其余燃料，使热核反应能够自己延续下去，从而释放 大量聚变能嘲。这种聚变反应所需的燃料是氛和氚，它们蕴藏在海水中，是地球上最 清洁最丰富的能源：i c f 是当前日益加重的环境和能源问题的最好解决办法。 旱在2 0 世纪7 0 年代，世界上许多国家已把i c f 的研究列为重大科研项圈。到目 前为止激光聚变研究已经取得了丰硕的成采。如美国的利弗莫尔( l l n l ) 实验室的 n o v a 装置已实现波长o 3 5 微米，驱动能量3 0 0 0 0 焦耳，激光利用率9 0 ，可使压 缩后的d t 密度可达1 0 0 倍正常液态t d 密度，僵其激光能量尚无法达到点火条件。 我国“神光= 号”的研制成功使我国高功率激光科研和激光核聚变研究步入世界先进 行列。 1 2 国内外脉冲压缩光栅的研究进展 提高激光器输出功率是发展i c f 技术的关键技术之一，近年来，世界上些激光 聚变装置上开始设计和建设于焦耳、拍瓦量级的皮秒激光装置阁以聚变快点火实验。 脉冲压缩光栅拼接的理论j 实验研究 第一常引言 建立在啁啾脉冲放大技术上的超短脉冲激光系统是提供超快、超强激光的重要途径， 它为惯性约束聚变中的快点火实验提供了强有力的工具5 ，6 ，7 ，8 1 。用于展宽和压缩激光 脉冲的光栅是该技术中的核心部分。脉冲压缩光栅与输出的强激光直接作用，压缩光 栅极易受到激光的物理损伤，因此提高其激光通量和承受能力成为激光器输出脉冲麓 量强度的主要瓶颈之。目前解决这个问题的方法有两条途径：是提高脉冲压缩光 栅的损伤阙值，二是增大脉冲压缩光栅口径1 9 j 。 霹麓许多科研机构已经能够制作较大面积的光瓣。如法黉j o b i n - y v o n 公司研究 研制成功2 1 0 m m x 4 2 0 m m 介质膜脉冲压缩光栅，衍射效率为9 5 9 8 ，损伤闽值高 于镀金光栅2 3 倍 内任意值时，拼接精度的变化情况。 如果两光栅是理想拼接，像差p v 值在( o 0 2 ，o 。5 2 ) 范围内取1 1 个采样点进 行计算，得r m s 半径及定域内能量比例a 与像差的对应关系，见表3 。7 。远场光斑 r m s 半径会随像差的增加而变大，定域内的能量比例随着像差的增加而下降。 3 0 脉冲袋缩光搬攒接翁理论5 l 实验研究第三章豫差对捞接巍壤运场毙强分奄影噙 表3 7 光斑特性随像差的变化 像羞( 妨 o 0 0 0 。0 50 1 0 0 1 5o 2 09 。2 5 r m s ( m m )0 。0 0 4 2 0 0 。0 0 4 2 10 。0 0 4 2 40 ，0 0 4 2 90 ，0 0 4 3 70 。0 0 4 4 7 a ( 哟 0 8 6 0 40 8 5 9 40 。8 5 6 2 o 。8 5 l o 0 8 4 3 70 。8 3 4 5 0 3 0 九0 3 5 z , 0 4 0 九0 4 5 九 0 5 0 z , 0 0 4 5 80 0 4 7 00 0 4 8 50 0 5 0 0 o 0 5 1 6 0 8 2 3 4o s 1 0 60 7 9 6 20 7 8 0 30 7 6 3 2 由于像差的存在是无法避免，设实际拼接时允许拼缝误差的参考标准为：( 1 ) r 醚s 值比理想拼接时增加5 ；( 2 ) 定域内能量比理想拼接时下降5 ；( 3 ) 相关系数比 理想拼按时下降5 。对像差p v 值区间( o 。0 a ，o 5 2 ) 内取l1 个采样点，计算得 表3 8 三个拼缝精度要求随像差的变化情况。 表3 8 拼接精度隧像差的变化 像蔫p v 值 0 九0 5 笼0 。1 0 丸0 。1 5 九0 2 0 k0 。2 5 k r m s ! 径麓攒缝精度d o 。1 1 30 ，1 1 7o 。1 2 20 。1 2 毒0 1 3 40 。1 4 4 能量的拼缝耩度d o 。1 6 50 。1 6 7o 。1 7 5o 。1 8 2o 1 9 20 。1 9 8 相关系数的拼缝精度d o 1 0 lo 1 0 20 0 9 90 。0 9 8o 1 0 0o 1 0 2 0 。3 0 lo 。3 5 戈0 4 0 k0 4 5 笼0 。5 0 茏 o 1 5 3 o 。1 5 6 o 。1 6 6o 1 7 8o 1 8 3 0 2 0 9o 。2 1 90 2 2 70 2 4 00 。2 5 0 o 1 0 l0 0 9 7o 1 0 30 1 0 l0 。1 0 2 以r m s 值比理想拼接增加5 时的拼缝误差为拼接精度，则拼缝精度值随像差 的增加逐渐变大，即拼接精度要求逐步下降，如图3 2 5 ；对远场定域内能量下降5 来定义拼接精度，由表3 8 可得拼接精度要求迅速下降，图3 2 6 为拼缝精度随像差的 脉冲压缩光栅拼接理论分析第三章像差对拼接光栅远场光强分布影响 变化；如从相关系数考虑拼接精度，如前面所述其拼接精度与像差大小无关，约为 o 1 d 。 拼 缝 精 度 凡 像差p v 值( 凡)像差p v 值( 入) 图3 2 5r m s 半径允许扩大5 时像差与图3 2 6 定域内能量下降5 时像差与 3 5 像差对角度拼接精度的影响 两套光栅栅线夹角也会对远场光斑特性产生很大的影响。如将球差、彗差、像散 等像差平均加入衍射波面的波像差里，其p v 值取0 5 波长，如图2 7 所示两块相同 予光栅栅线夹角，拼缝处栅线两端距离偏差：4 0 0 a o ：m m ， a o z = 1 4 3 6 8 宰1 0 7 r a d 时，a = d ，对其一级衍射光远场光强分布计算得远场光斑二维平面分布如图3 2 7 所 示，光斑的能量明显发生了扩散。 一d0 1 5 口0 1 司【j c 5 00 d 。5 0 0 100 1 5 图3 2 7 远场光斑_ 维光强分布 咖 嘶 叫 恤 蛇 拼缝精度九_) 辣游疆续毙掇捞接麴瑾论i 实验研究第三章像差对拼接必撵远场先强分布影瞧 以下分析像差为固定值时远场光斑特性随角度拼接误差耽变化( 以下图表中均 用拼缝处栅线两端的距离差表示转角误差) ，即( 1 ) 远场光斑r m s 半径、( 2 ) 定 域内能量比值加和( 3 ) 相关系数厂随角度拼接误差的变化。 图3 2 8 a 为无像差时，随着角度拼接误差的增加，r m s 半径也逐渐增加；图3 2 8 b 为无像差时，定域内能量起先变化很微弱，当角度拼接误差导致栅线两端相差超过 o 4 d 后定域内能量迅速减小；3 2 8 c 为无像差时，相关系数7 随转角拼接误差的增加 而减小。 图3 2 9 总像差p v 值为o 5 九，光斑r m s 半径均随着面内转角误差馥的增加而 增加；定域内能量而随面内转角误差眈的增加而减小；相关系数芦随转角误差晓的 增加而下降。 至 半 径 量 邑 相 关 系 数 y 转角误麓矗( d ) 图3 。2 8 ar m s 半径随转角误菱变化 转惫误差彤 图3 2 8 e 相关系数随角度误差变化 能 量 比 例 转角谟差蠢) 图3 2 8 b 定域内能量比例随转角误差变化 转角误差 d ) 图3 2 9