（光学专业论文）衍射光学在icf激光驱动系统中的应用研究.pdf

衍射光学在i c f 激光驱动系统中的应用研究 光学专业 研究生高福华 指导教师郭永康 将衍射光学技术应用于i c f 激光驱动系统中，对于改善激光束质量、提高 系统整体性能、降低系统造价具有重要意义。本论文以我国i c f 驱动装置神光 i i i 及其原型样机t i l 的研制为背景，以发展衍射光学技术、满足神光i i i 对 d o e 的迫切需求为目标，对应用于i c f 驱动系统中的三种重要衍射光学元件 c s g 、b s g 、p c p 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i c f 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+ l o o m m 等 多种口径的c s g ，并在高功率固体激光装置星光i i 上完成了元件性能的实验 研究；通过理论分析，建立了c s g 结构的加工误差模型，系统地研究了各种 结构参数误差对c s g 性能的影响，提出了c s g 的加工精度要求，这对确定 c s g 的制作工艺具有指导意义。根据i c f 终端光学系统对激光取样技术的要 求，分析了b s g 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b s g 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i c f 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c s g b s g 功能集成元件，该方法只需 一次光刻制作集成d o e ，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d o e 提供了一种有效新方法。根据i c f 多层放大系统对光束波前 控制的要求，提出采用p c p 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。 本论文的工作为c s g 、b s g 、p c p 等衍射光学技术在神光i i i 系统中的应用 提供了必要的理论和技术基础。 关键词：惯性约束聚变；衍射光学元件；色分离光栅；光束取样光栅；静态位 相校正板 s t u d y o na p p l i c a t i o no f d i f f r a c t i v e o p t i c si ni c f d r i v e r m a j o r ：0 p t i c s g r a d u a t e ：g a of u h u as u p e r v i s o r ：y o n g k a n gg u o a p p l i c a t i o no fd i f f r a c t i v eo p t i c st e c h n o l o g yi ni c fd i v e r , t a k e sg r e a ta d v a n t a g e s ， s u c ha si m p r o v i n gt h eq u a l i t yo fl a s e rb e a m ，o p t i m i z i n gt h el a y o u to fl c fd r i v e r , a n d r e d u c i n gt h ec o s to ft h ew h o l es y s t e m m o t i v a t e db yt h ee s t a b l i s h m e n to fp r o t o t y p e o fs g i l ll a s e rf a c i l i t y ，t h r e ei m p o r t a n td o e ，c s g ，b s g ，a n dp c p ，w e r es t u d i e d e l e m e n t a r i l y w h i c hw i l is a t i s f yt h ei n s t a n tr e q u i r e m e n tf o rd o e i ni c fd i v e r a st h ek e ye l e m e n tp e r f o r m i n gh a r m o n i cs e p a r a t i o ni nt h ef i n a lo p t i c a la s s e m b l y ， s gw a ss t u d i e d 锤e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y b a s e do nt h ea n a l y s i so f f a b r i c a t i o np r o c e s s 。c s g st o l e r a n e et of a b r i c a t i o ne r r o ra n dw a v e f r o n ta b e r r a t i o n w a si n d i c a t e dw h i c hc a nb eh e l p f u lf o ri m p r o v e m e n to ft h ef a b r i c a t i o nt e c h n o l o g y 。 w i ht h et h e o r e t i c a ld i r e c t i o n ，as a m p l eo fc s g ，w h o s ed i a m e t e ri s1 0 0 m m ，w a s d e s i g n e da n df a b r i c a t e df o rt h ef i r s tt i m ei no u rn a t i o n a n dt h ec o r r e s p o n d i n g e x p e r i m e n t a lr e s e a r c hw a sc a r r i e do u to nx i n g g u a n g - l l ，as o l i ds t a t eh i g hp o w e r l a s e rf a c i l i t y b a s e do nt h es c a l a rd i f f r a c t i v et h e o r y t h ed e s i g np r i n c i p l eo fb s gw a ss t u d i e d s y s t e m a t i c a l l y t w od i f f e r e n tf a b r i c a t i o nm e t h o d s ，t h ew a y o fe - b e a md i r e c tw r i t i n g a n dt h ew a yo f h o l o g r a p h i ce x p o s u r e ，w e r ec o m p a r e dt h e o r e t i c a l l y a n d e x p e r i m e n t a l l y ，i na d d i t i o n 。af l o v e lm e t h o dw a sp r e s e n t e da n ds t u d i e dt of a b r i c a t e t h ei n t e g r a t e dd i f f r a c t i v ee l e m e n to fb s ga n dc s gw i t ht h eg r a y t o n ec o d i n gm a s k w “ht h i sm e t h o d t h em u l t i f u n c t i o nd o ec a nb ea c h i e v e dt h r o u g ho n l yo n e s t e p l i t h o g r a p h y ，w h i c hg r e a t l ys i m p l e st h ef a b r i c a t i o np r o c e s sa n dr e d u c e st h ec o s t f i n a l l y ，i no r d e rt os i m p l i f yt h el a y o u to ft h em u l t i l a y e ra m p l i f i e ra s s e m b l ya n d m p r o v et h eq u a l i t yo fl a s e rb e a m ，a n o t h e rd o e ，p h a s ec o r r e c t o rp l a t e ( p c p ) ，w a s p r e s e n t e dt ou s e di nt h ei c fd i v e ra sab e a mc o n t r o l l e r i t sd e s i g n ，f a b r i c a t i o na n d a p p l i c a t i o nw e r ed i s c u s s e di nd e t a i l ，a n ds o m eo fi m p o r t a n tr e s u l t sw e r ea c h i e v e di n t h i sp a p e r 。 k e yw o r d s ：i n e r t i a lc o n f i n e df u s i o n ；d i f f r a c t i v eo p t i c a le l e m e n t ；c o l o rs e p a r a t e g r a t i n g ；b e a ms a m p l i n gg r a t i n g ；p h a s ec o r r e e t o rp l a t e 髓射光掌教l c f 激先驱动系筑中的应嚣l 礴究 四川犬掌博士学位论文 第一辈引言 。 激光蠼牲约寒聚变系统 入类的生存和发展，都离不开宾源蚋供绘。丽随着人类社会的不颧发展， 能源闷题已逐渐成为制约人类发展的瓶颈。目前人类社会运转所需的能源主蒙 依赖予煤、石油和天然气等这些化石缒源，丽它们都怒不可再生的。根据统讨， 入类融经用捧了豫球上凡乎一半的纯祗能源。按露前入类对能源的要求来推算， 到2 3 世纪，化石能源将会出现供不成求的现象；而到2 4 世纪中叶，地球上的 纯石麓源将会梧竭。函诧，寻求新静能源解决这一困境，已经成为人类社会的 迫切糯求。 狻能静安全使胡蹩缓髂能源危税豹有效途径。器前已经有许多国家使 用核裂变反应提供的能量，而其也逐渐成为重要的能量来源。然丽，核裂 变反疯翡安全往、对舔境赘污染髓及藏瓣後核凌耱的娃理簿阕遂辍大斑隈 制了核裂变能的实际应用。相对于核裂变。核聚变是一种无放射性的清沽 麓潦，嚣显囊骜球主蘩藏骞辜赛懿棱浆交耪葳( 仅表蔟海承所含靛窳氖赣霹 供人炎使用几千年) 。因此，核聚凝能被嚣作是解决能源危机的希望之所 在，褥实瑰受控攘聚变邀是广大辩学工终者投放不倦努力豹鹜振。 骚实现受控核聚变，必须满足两个基本条件，一是必须将燃料加热到很高 靛熬核反瘟激发，二燕必绥农是够长靛薅瓣蠹褥褒滠褰整寝簿离子钵绞素在一 起。秘前，有两种方法可以实现受控核聚变。 零整纪4 0 年鼗，人爱鬟爨磁约京浆交( m a g n e t i cc o n f i n e m e n tf u s i o n ，m c f ) 的思想1 ，所谓磁约束聚变，就是指利用磁场将带电粒予约束往，使之发生聚变 反应。经过4 0 多年寒凡 弋科学家豹努力，髫羲蓼豹磁终寒实验装萋已经分裂霹以 将较低温度、低密度的等离予体约束足够长的时问或者在短时间内将等离子体 期热，但是魏趣搜磁约束实骏装置巾螅等离予体在实现长约塞越鞫熬弱霹氇达 到核聚变反应所需要的高温，目前仍是一个极大的难题。 凌激光闽世嚣，入 | 】提出采羽藏功率激巍器加热燃料达到热核反建湿度熬 思想。1 9 6 4 年，我国科学家溅淦昌教授和前苏联巴索夫院士同时独立地提出了 衍射光学在i c f 激光j 鲑动葳航中的成塌磺究 疆州火碘搏士掌 懿馏文 一4_w_“rh-_，_m一 川激咒：照刖氘氚而产m 中予冉勺想法2 r ，并于熊后不久获得了鬟验i 正明，为激光 漤一陵终寒聚焚i n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o n ，i c f ) 获壤菝黪骰毫了 裁缝煞工 件。上质n ：1 9 7 2 # ，荧嘲势伦斯利弗骢尔国家实验越的n u c k o l l s 等入发表了嗣 撵融遴躁褒瓣热攘燃瓣压臻懋蒸潺鞠怒密凌羹；臻聚交戆疆念4 ，褒褥毽沦主数突 艘，邂是损稚约束累嬲研究飘有里稷碑意义的进展。 1 1 。1i o f 艨耀及骓勘方式 所谓激光驱动懒性约束粼变，就憝基于飙弹原理。即刹用高能激光驱幼器 燕壤短海瓣海将襄变爨瓣套辣f 整巍濑慧，搓臻嚣蠢潺、褰鬻凌，使之褰孛瘗 灾，惠燃厢懿核反魔实现受控聚变。从而款得干净聚变能源，。其聚变过程如 篷t ，l 露幂，毽势兔瓣令酴段；强激竞寒浚逮舞热氯窳罄兔灌嚣；使之形裁 个等浅r 休烧蚀层；驱动器的能爨以激光戏x 光形式迅速传递给烧蚀体， 捷之臻热癸避速膨胀；羔意髂癸帮离癸扩袋黠，壤攘戆鬟守湮宠瑷，甏衾 部分刘向中心挤蕊，反向聪缩燃料 向心聚爆将靶丸隘躺至一邂程度，使 氯鬣棱爨瓣遮裂毫溢、寒密发状态，奁靶丸中；蛰形成热蠢；热攘燃烧在被藤 缩韵燃料内部曼延，僚主体燃料发嫩聚变殿应，产生数髂的髓蝥增益，从丽 产生大量匏聚变麓输出。 萄趣热惩缝 惫纛必掰燃烧 黼1 1 啊玉热斑懒性约束凝赣韵鞠个过程 壤嚣稳澈巍隶弓 燃聚变辩方式举褥，鞫游惯搀酌求聚交辩实现涔或可势为 嶷接骢动_ 手f i 燃接驱动两嵇6 ，搬强i 2 攒示：裒接驱旗是攘寰接姆激邈戆豢螅 匀愁辗照封鞭 ：，戳获褥辍丸离漂鹣对称髓和离酌蹭虢。激溉与靶巍相互体丽 2 衍射光掌在 c f 激先驱动系统中的应用研究 四川丸掌博士掌位镕文 产生的等离子体向外膨胀，其产生的反向压力驱动剩余靶壳向内运动压缩靶丸 产生聚交：采羯直接驱羲霹戳邂过较少数能蘩实瑰聚交点火，惶对糕丸辐照瓣 均匀度的要求十分苛刻；间接驱动是指即将氘氚小球放在黑洞靶腔内，将激 竞能壁辐照到靶腔的内壁上，靶腔内壁l ! 殴收激光能量产生x 射线， 圭l 这秘强发 极高的x 光辐照、压缩靶丸，从而引发核聚变。间接驱动方式对激光驱动的均 匀蛙和对称性要求较之直接驱动要 氐黧，但霆为x 党辐魅输运过程降低了激光 能量的利用率。因此需要的辐照激光能量要礴。 ( a ) 直接驱动( b ) 间接驱动 圉12 惯性约束聚变驱动方式 1 2i c f “快点火”方案 前面介绍的惯性约束核聚变主要依赖对氘氚靶丸的均匀向心压缩、加热而产 生的中心热斑柬实现，如图t 1 所示。这种方案对激光辐照的球对称性和均匀 往有极高的要求，而瞧需要憨能量为百万焦蹲量缀的巨型激光器才能实现增益 聚变6 。 针对以上“中心热斑”方案遇到的巨大困难，近年来，随着超短脉冲激光嘴 啾放大技术的重大突破，彳丁人提出了惯性约束核聚变“快点火”的技术方案7 。 静酋先臻纳秒缓长脓冲激光柬对充满氘、氖气体的空心靶丸进行高度霜称的愿 缩，使其密度达到固体密度的1 0 0 0 倍以上；然后用惆啾脉冲放大技术产生一 束踩冲宽度约为l o o p s 、聚焦光强为1 0 1 8 释嘴“的激光辐照承缩君的高密靶丸， 这束凝焦的激光会将靶丸的临界密度面进一步压向中心，在离密靶丸上打出一 令“溺”来；紧接着，爝激兔艇缩嵬襁将骤淬滋一步压缩，褥n - 束脉宽秀1 0 p s 衍特光学糍i c f 激先驱动茉娩中的应用研究 四j i i 犬掌博士攀位论咒 左右、聚焦光强为1 0 2 0w c m ”的激光，这一超强超缀激光脉冲与靶芯大密度梯 度数寒密等凑子体鞠互终用，产生大量缝量为m e v 爨缀熬越热毫予浚8 穿入藏度 压缩的靶丸并淀积校靶芯处的燃料中，使靶芯附近燃料的局部温度迅速上升到 点火温度，从露实现靶丸懿“快点火”，女e 爨i 3 爨示。 ( a ) 薹密压缩 ( b ) 激光拇漏( 。) 蛟点必 圈1 3 快点火惯性约束聚变的兰个过程 与传统豹“中心热斑”方案相比，“快点火”惯性约束聚变将靶丸的压缩和 点火这两个过程分升进行，函此可以大幅度降低系统对爆炸对称性秘驱动畿鬟 的要求。在“侠点火”方案中，初始压缩期仅要求达到高密度不要求高温度， 所以对长脉冲压缩激光的“光滑化”要求大幅度地降低了；超短脉冲强激光墨 匿缩蓐豹商密等离予体相互作用，可以便激光能量离效地转换给m e v 量级的超 热电子，并i 而高效地加热糨芯实现点火，这大幅度地降低辩驱动能爨的要求。 弱魏耱理论诗算表鞠，“侠森火”方案钗需癸l o 万焦耳的激光能量就可以实现 高增益的核凝变，比传统的中心点火方案对激光能量的需求低1 0 倍。 1 1 ，3i c f 的研究现状 目前i c f 以及高功率固体激光技术进入了一发展高潮时期，激光聚变驱动 技术瓣磷究褥翻了餐赛上许多莺家静极大重视帮投入。在遮方面，美国处在领 先的地位。1 9 9 8 年l o 月2 1 日，美阑能源部批准了“国家点火装置”( n a t i o n a l i g n i t i o nf a c i l i t y , n i f ) 诗翔，希望在2 0 1 0 年庄右实瑗煞孩点火，总投资1 8 亿美 元。从现有撤道来看，研制经费还在继续追加，目前n i f 已进入工程施工阶段9 。 在嚣家熹火装嚣遂簿王程纯建逶蘩，荚国l l n l 己按n i f 设诗参数完残了全尺 4 衍射光掌在i c f 激光驱动系统中的应用研究 四川大掌博士学位论文 寸的单路原型样机( b e a m l e t ) 的建造并在上面完成了大部分关键单元技术的实验 研究m ，为n i f 的建造打下了良好的基础。美国n i f 计划的实施及b e a m l e t 的 建成和取得的成功经验更加明确的为i c f 的研究指明了方向。1 9 9 3 年，法国原 子能委员会批准了l m j 计划；英国基于美国l l n l 的技术支持，亦开展了建 造功率为1 0 0 t w 的激光系统的研究工作”：日本大阪大学激光工程研究所于 1 9 9 2 年利用g e k k o 激光装置开展了靶丸压缩的实验；俄罗斯在经过数l o 年发 展碘激光技术之后，也转向发展固体激光技术的研究”。 我国在1 9 8 3 年，建成星光1 激光装置“，并在1 9 9 5 年升级为星光i i ( 3 0 0 j ) ， 1 9 8 5 年建成神光一i 装置，在2 0 0 0 年升级为神光一i i ( 6 k j ) 。i c f 的研究已被列入 8 6 3 高科技项目中，1 9 9 3 年成立了国家高技术惯性约束聚变委员会，制定了神 光i l i 的发展计划并已着手进行前期的原形样机t i l 的研制，预计将在2 l 世纪 前十年建成神光一i i i 激光装置”。 1 2 衍射光学 1 2 1 衍射光学的发展概述 传统的几何光学是基于光束的折射和反射原理，利用透镜、反射镜、棱镜等 元件来设计多种光学系统，从而实现各种光学功能。由于衍射效应总是导致光 学系统的分辨率受到限制，因此除了光波衍射的色散性质可应用于光谱学之外， 传统光学总是尽量避免衍射效应造成的不利影响。然而，6 0 年代模拟全息和计 算全息图1 6 以及相息图的发明和成功制作引起了观念上的重大变革。人们认识到 应用这些新型的元件，基于光学的衍射原理，可方便灵活地控制光路和实现多 种光学功能，从而开辟了光学系统设计的新天地，这可以看作衍射光学元件的 早期雏形。然而全息元件衍射效率低，且离轴再现；而相息图虽同轴再现，但 工艺长期未能解决，因此进展缓慢，实用受限。直到8 0 年代，微电子工业在制 作技术方面经历了一场革命，光学和电子束制版以及于刻蚀技术逐渐发展成熟， 各种新型的加工制作方法不断涌现，使得制作超精细结构光学元件成为可能， 从而极大地推动了衍射光学的发展1 7 , 1 80 衍射党掌在i c f 激光驱勘系统中的应用研究 四州大学博士学位诧文 8 0 年代中期，美国m i t 林肯实验室的v e l d k a m p 率先提出了“二元光学”的 穰念9 1 2 。，建当瓣攘述遭：“凌在悫学有一令分支，它咒擎宠全不霾于褥绫豹枣l 作方式，这就是衍射光学，其光学元件表面带有浮雕结构；由于使用了本来是 鞠 筝集成奄爨弱墼三产方法，甄矮戆掩攘憝二元载，显掩攮翅二元缡滔形式进嚣 分层，故引出了二元光学的概念。”二元光学的提出是衍射光学发展进程中具有 鬃程碑意义鲍事传。随靼在美国嚣防部领先辩磺项基缝资助下，拣骞实黢室开 腥了衍射光学方丽的研究工作，其目标怒推动衍射光学技术在工业界的广泛应 粥。此磁，美国燕迭戈加列福尼溉大学分校、j p l 喷气动力实验室以及撩朗、桎 邦等公司都进行了衍射光学方面的研究，并得到了相应的研究成果及产晶。除 荚国以外，由拿大国家悲学实验嶷、德鳗爱尔兰壤大学、饿罗鞭殛馅裂藏电工 研究所，以及瑞士和日本等国的一些高校与研究所也相继开展了衍射光学领域 的研究工作。鉴予衍射光学的潜在价值和国际上的研究状况，国内一些磺究极 构于9 0 年代初便开展了遮方面的研究，并在衍射光学的理论、优化设计、制作 工艺及成用等方藤取碍了重要成果。 蜜予衍射光学在实现光波交捩上具青许多卓越豹、传统光学难以具备的优 点，从8 0 年代中期提出开始，它便受到学术界和_ 工业界地青睐，弗在国际上掀 起了关予衍射巍学的研究熟潮。1 9 9 3 和1 9 9 5 年，国外重要光学杂质a p p l o p t 、 j , m o d o p t 和j o p t 。s o c a m 分别出版了衍射光学的专辑2 1 , 2 2 2 3 2 4 ，介绍衍射光学系 统和元件静设章辛、镣l 律釉斑用；s p l e 和美阖先学学会分剐予1 9 9 2 、1 9 9 4 和1 9 9 6 姜# 连续召开了三次衍射光学专题会议，报道最新进展，形成了衍射光学研究的 离潮。戮魏铤藜光学被誉为“9 0 冬代静光学”，它静出现绘传统光学设计疆论和 加工工艺带来了一次革命孙。综台来讲，衍射光学元件的发展经历了以下三仓阶 获。 第一阶段，人们采用衍射光学技术来改进传统的折射光学元件，以提简它们 懿鬻痰搜戆，势蜜现骜逶毙学元镎无法安境静特豫功能。翔稳翻衍射光学元 孛 特殊的色敝效应，制作折衍混宙型元件用于光学系统像羞校正和消色惹及热 熬；裁爱翅囊砉必攀元馋霹实现任意渡蘩交羧熬特毪，裁佟髭紊整形元舞潋及辐 射聚焦嚣等。 第二狳段，入织毒簪辑_ 鸯重毙学铰零痤鼹予嘉l 佟徽竞学嚣佟蠢微巍学阵麓系统。 6 衍射光学在i c f 激光驱动系统中的应用研究四川大掌博士掌位论文 随着加工工艺的不断提高，各种轮廓形状、各种尺寸大小的光学元件阵列的加 工技术逐渐成熟。这些高质量的衍射或折射微透镜阵列，在光通信、光学信息 处理、光存储和激光束扫描等许多领域中均有重要应用。 第三阶段，人们将衍射光学技术应用于多层或三维集成微光学系统，结合微 电子技术和微机械技术，制作m e m s 和m o e m s 器件，实现复杂的光互连控制和多 功能光电处理。如多层微光电网络处理器，它集光的变换、探测和处理于一体， 为传感器的微型化、集成化和智能化开辟了新的途径。 经过不到3 0 年的时间，衍射光学已发展成为极具活力和发展潜力的学科分 支。在与微电子学相互参透和相互促进的过程中，衍射光学的理论和设计方法 日趋成熟、加工制作技术也有了长足进步。而随着衍射光学超精细结构设计理 论和高分辨率加工工艺的发展，衍射光学的应用领域得以不断拓展，衍射光学 元件在光学传感、光通信、光计算、数据存储、激光医学、娱乐消费以及其它 特殊系统中得到了广泛应用。 1 2 2 衍射光学元件的优点 衍射光学元件( d i f f r a c d v eo p t i c b te l e m e n t s ，d o e ) 与传统光学元件相比具 有以下一些优点： 衍射效率高 衍射光学元件是一种纯位相的光学元件，相比振幅型光学元件能更有效地利 用输入光的能量。若制作成为连续浮雕结构，其理论衍射效率可达到1 0 0 ；若 采用多阶位相近似，随台阶的增加其衍射效率也增加，经计算，当位相阶数为4 、 8 和1 6 时，其理论衍射效率分别为8 1 、9 4 9 和9 8 6 。 设计灵活 通过计算机设计，衍射光学元件可以产生任意的波前调制，如产生非球面、 环形面、锥面、螺旋面等传统光学方法所不能实现的光学波前。这大大增加了 光学元件的设计自由度，从而能设计出许多以前无法得到的全新的功能光学元 衍射光掌在i c e 激光驱动系绞中的应用研究 四川大掌博士掌位论文 件，这是对光学设计的一次重大革新。 基片材料多样性 通过刻蚀或生长工艺，可以将设计的三维浮雕面形转移到玻璃、电介质或金 属等材料制成的基片上。这极大地扩大了衍射光学元件的应用范围，使其适用 于某些特殊要求的场合。 易于集成 衍射光学元件的浮雕深度一般控制在微米或亚微米量级，因此可以将其制作 在极薄的平板基片上。与传统光学元件相比，它体积更小、重量更轻，易于小 型化、阵列化。另一方面，衍射光学元件设计灵活且具有更多自由度，因此易 于实现多功能系统集成。 1 3 衍射光学在i o f 驱动系统中的应用 衍射光学元件以其设计灵活、衍射效率高、并行输出、非线性相位延迟小、 功能多且易于集成等优点，已在许多高新技术领域得到广泛的应用。9 0 年代初， 从事惯性约束聚变( i c f ) 的科学家开始注意到这一新技术，并尝试用其克服i c f 激光驱动系统中的某些技术困难2 6 ，2 7 。由于衍射光学元件具有许多几何光学元件 无可比拟的优点，在i c f 激光驱动系统中采用d o e ，对于改善系统的整体结构、 提高系统性能有重要意义。美、英、法、日、俄等国对此均予以高度重视，并 投入大量人力和资金开展这方面的工作。 1 3 1l o f 系统对d o e 的要求 i c f 激光驱动系统是目前世界上最巨大的光学工程项目，它将现有的光学设 计技术和加工工艺推向了极限，对应用于其中的光学元件提出了近乎苛刻的要 求与以往任何激光系统中使用的d o e 相比，i c f 驱动系统中的d o e 具有以 下一些特点： b 衍射党掌在i c f 激光驱动系统中的应用研究 蹦川大掌博士掌位诗丈 大面积 i c f 驱动系统的光束口径巨大，如美国n i f 激光系统的光束口径达3 8 0 3 8 0 m m 2 ，我国毒孛炎l l l 愿型装置熬光束日经也达3 0 0 x 3 0 0 m m 2 。这裁羲癸与之配 套的大颟积d o e 加工制作系统，美国l l n l 实验室于1 9 9 8 年建造了专门的衍 射光学蠢馋制佟实验室躅于研制大露积d o e ， l 露法国也在同一年建成了可以制 作口径达4 5 0 x 4 5 0 m m 2 d o e 的专用刻蚀设备。 裹瑟澎穗度 在i c f 系统中引入光学元件后，会对系统的光束质爨产生影响；方露， 元件表稀的弱部不平整饿会弓l 越光束波前相位鹩畸变；掰一方谳，高强度激光 在元件中传输时产生一拨非线性效应，如自聚焦、b 积分等。这些均会造成系 统光束灏蓬下降，铁丽影晌物理点火实验。因j 琏：，要求元件具有很高的丽形精 度，如神光i i i 原型装置要求光学元件透射波前畸变量满足；p v 7 l 1 0 ，r m s 5 j c m 2 ，锌对歉冲宽 度为i n s 的三倍频激光) ，以保诞系统的安全运行。也就是说，系统对光学元件 豹材耪及表露缺隆均存缀衰的要求。 。3 。21 0 f 系统审d o e 豹应爱臻获 从嗣前国际上的研究来看，街射光学元件崧i c f 系统中的成餍主要集中在 以下凡个方面：q ) 采n n e n n n 2 嚣( c o l o rs e p a r a t eg r a t i n g s ，c s g ) ，实现谐波 分离功能；采用低效取样光栅2 9 ( b e a ms a m p l i n gg r a t i n g s ，b s g ) ，实现光束测 爨采样 采瑁髓税位桶板弱( r a n d o mp h a s ep l a t e ，r p p ) 或相息板3 1 ( k i n o f o n n 9 衍射光掌在i c f 激光驱动系统中的应用研究 四川大掌博士学位论文 p h a s ep i a t e k p p ) ，实现聚焦光斑的匀化；采用脉冲压缩光栅“( p u l s e c o m i ) r c 5 s i 0 1 1g r a t i n g s ，p c g ) ，实现光脉冲压缩或啁啾脉冲放大：采用位相校 正板3 3 ( p h a s ec o r r e c t o rp l a t e ，p c p ) ，实现放大过程中的静态畸变波前校j f 。 在国内，若干高校和科研单位在国家8 6 3 高技术项目的支持下，自9 0 年代 中期以来便开展了d o e 在i c f 驱动系统中应用的研究，并在设计和制作方面取 得了一定的成果3 4 ，”。但整体研究水平与国外还有相当差距，特别是加工设备和 制作工艺方面的差距甚大，尚不能满足为神光i i i 提供所需d o e 的要求。因此， 为了满足神光i l i 及其原型装置的需要，持续跟踪国际新技术，提高神光i i i 的性 能及其性价比，进一步深入开展d o e 在i c f 中驱动系统的应用研究具有十分重 要的现实意义。 1 4 本论文的主要内容 如上所述，在i c f 激光驱动系统中采用d o e 对于改善激光束质量、提高系 统整体性能、降低系统造价具有重要意义。然而制作i c f 驱动器用的d o e ，在 元件设计，特别是加工工艺和设备方面都存在着巨大的困难和严峻的挑战，因 此d o e 在i c f 驱动系统中的应用已成为国际上强激光技术和微细加工领域研究 的前沿和热点。本论文以我国8 6 3 高技术和中物院基金项目任务为牵引，以发 展衍射光学技术、满足神光1 1 i 对d o e 的迫切需求为目标，以解决i c f 驱动系统 中三种重要衍射光学元件c s g 、b s g 和p c p 设计、制作和应用的相关物理问题 为关键，开展了深入、系统的研究工作，取得了重要的研究结果，为在神光i i j 中采用衍射光学技术提供了必要的理论和技术基础。 本论文的内容如下： 第一章：引言。回顾了惯性约束聚变系统以及衍射光学的发展历史，结合 i c f 系统对d o e 的特殊要求及其技术难点，阐述了本论文的研究意义，并对本 论文的主要内容和安排做了介绍。 第二章：标量衍射理论及衍射传输计算。本章介绍t ) g 波场的标量衍射理 论；以快速傅立叶变换为基础，研究了光波场在菲涅耳衍射区传输时数值模拟 的快速算法，并设计了相应计算程序，为后续d o e 的设计以及系统光波场传输 衍射光掌在i c f 激光驱勘系统中的应用研究 姻川大掌博士掌位论文 过程的模拟分析提供了计算工具。 第三章：锈瓣光学元 譬熬设诗及铡臻工艺。本章讨论了嚣 l fd o e 瓣设诗方 法及其制作工艺，并对一些新缴加工制作工艺的应用进行了探讨。考虑到i c f 驱动系绞对必掌元 掌的实际要求，提出了采用瀑法刻蚀铡终大黎积耀线条d o e ， 并对温法刻蚀石英基片的工艺进行了研究。 第四章：谴波分离必秘。本章根撂i c f 对谐波分离豹要求，誊重磺究曩兹 最具应用潜力的色分离光栅技术。首先从理论出发，详细分析tc s g 的分光原 理及其物理特性；根据实际割佟情况，建立了c s g 结梅的加工误差模型，系绞 地分析了各种结构参数误差对c s g 性能的影响，提出tc s g 的加工精度要求； 然后对大面积觏精度c s g 的加王制作方法进符了分板，提出采用激光壹霹图形、 根据光栅周期大小分剐采用湿法或干法剽蚀成形的方法制作c s g ，利用现有设 餐在国内首次制作成功口径巾l o o m m 的c s g ， 并进行了楣应的实验研究。 第蕊章：光束取样光襁。本章根据i c f 对激光取样技术的骚求，对b s g 的 结构和正作原理进行了深入细教的分柝，褥到了其结构参数与取样效率和分离 角静关系；在就基础上，分斩阮较了电子束直葛掩模曝光和光学全息曝光法制 作b s g 的优缺点，并进行了实验验证，为b s g 在i c f 系统中的实用化提供了 理论依据和割佟基磴。簸嚣，结合i c f 系统对衍射光学元俘静要求，对谐波分 离、光柬取样功能集成元件进彳亍了积极探索，提出了一种全额的集成制作方案。 第六章：静态谴稳校正扳。本章穰攥神悫l i 原型装餮对光束波前控制豹要 求以及自适应光学一些不足之处，提出采用位相板校正多层放大系统中的静态 滚蔫穗变，势辩位耱梭燕援豹 筵诗、铡孛# 及应用进行了研究。 第七章：总结。对本论文工作的创新点进行了总结，并对下一步的工 终进移了震鳘。 竺苎兰兰童! 堕兰兰墨兰墨竺! 竺皇望竺皇 ! 型查竺! 主竺竺竺查 1 2 4 参考文献 张家泰，激光等离子体相互作用物理，中国： 程物理研究院北京研究生部，1 9 9 5 年 w a n gg c “s u g g e s t i o no fn e u t r o ng e n e r a t i o nw i t hp o w e r f u ll a s e r s ”，c h i n e s ejo fl a s e r s ， 1 9 8 7 ，v 0 1 1 4 ( 1 1 ) ：6 4 l h f 巴索夫等，稠密等离子体诊断学，强激光与粒子束杂志社1 9 9 2 年1 2 月第 一版 j h n u c k o l l s ，l w o o d ，“l a s e rc o m p r e s s i o no fm a t t e rt os u p e r - h i g hd e n s i t i e s ：t h e r m o n u c l e a r ( c t r ) a p p l i c a t i o n ”，n a t u r e ，1 9 7 2 ，v 0 1 2 3 9 ：1 2 9 郑志坚，“i c f 基本概念”，惯性约束聚变与强激光技术，( 内部资料) ，1 9 9 0 年 张杰，“浅谈惯性约束核聚变”，物理，1 9 9 9 ，v 0 1 2 8 ( 3 ) ：1 4 2 1 5 2 m t a b a k ，e t c ，p h y s p l a s m a s ，1 9 9 4 ，v 0 1 1 ：1 6 2 6 j d k m e t e e ，e t c m e vx r a yg e n e r m i o nw i t haf e m t o s e c o n dl a s e r ，p h y s r e v l e t t ，l9 9 2 ， v 0 1 6 8 ( 1 0 ) ：1 5 2 7 - 1 5 3 0 w h l o w d e r m i l k ，“s t a t u so ft h en a t i o n a li g n i t i o nf a c i l i t yp r o j e c f ，p r o c s p i e v 0 1 3 0 4 7 ：1 6 3 7 b m v a nw o n t e r g h e m ，e t a l ，“b e a m l e t 系统及其初期性能实验结果”，惯性约束聚变 一驱动源技术译文集，( 内部资料) 1 9 9 6 年 m i c h e ll a n d r e ，“s t a t u so f t h el m jp r o j e c t ”，p r o c s p i e ，v 0 1 3 0 4 7 ：3 8 - 4 2 j a m c m o r d i ee t a l ，“c o n c e p t u a ld e s i g no f1 0 0 t ws o l i ds t a t el a s e rs y s t e m ”，p r o c s p i e ， 1 9 9 5 ，v 0 1 2 6 3 3 g e n n a d ia k i r i l l o v , “d e v e l o p m e n to fa h i g h p o w e r3 0 0 - k jn e o d y m i u ml a s e r p r o c s p i e c 0 1 3 0 4 7 ：4 3 - 5 3 y u j u nz h a o ，“d e v e l o p m e n to fi c fl a s e rd r i v e rt e c h n o l o g yi nc h i n a ”，p r o c s p i e ，v 0 1 3 0 4 7 5 4 - 5 8 p e n ghs ，z h a n gxm ，“s t a t u so ft h es g 1 1 1s o l i ds t a t el a s e rp r o j e c t ”，p r o c s p i e ，1 9 9 2 ， v 0 1 3 4 9 2 ：2 5 - 3 3 虞祖良，金国藩，计算机制全息图，清华大学出版社，北京，1 9 8 4 a p p l o p t ，1 9 9 3 ，v 0 1 3 2 ( 1 4 ) 1 2 ， m 他 b h ” m 衍射光掌在i c f 激光驱动系统中的应用研究 r 9 2 1 1 大掌博士学位论文 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ ，_ _ - - _ _ _ - _ _ _ - 一 1 8 j m o p t 。1 9 9 3 ，v 0 1 4 0 z ( 4 ) 1 9w b v ed k a m p ，t j m c h u g h ，“b i n a r yo p t i c s ”，s c i e n t i f i ca m e r i c a n ，1 9 9 2 ，v 0 1 2 6 6 ( 5 ) ：9 2 9 7 2 0w b v e l d k a m p ，“o v e r v i e wo fm i c r o - o p t i c s ：p a s t ，p r e s e n ta n df u t u r e ”，p r o c s p i e ，1 9 9 1 ， v 0 1 1 5 4 4 ：2 8 7 - 2 9 9 2 1 “s p e c i a li s s u ef o rd i f f r a c t i v eo p t i c s ”，j m o d o p t ，1 9 9 3 ，v 0 1 4 0 ( 4 ) 2 2 s p e c i a li s s u ef o rd i f f r a c t i v eo p t i c s ，a p p l o p t ，1 9 9 3 ，v 0 1 3 2 ( 1 4 ) 2 3 “s p e c i a li s s u ef o rd i f f r a c t i v eo p t i c s ”，j o p t s o c a m a ，1 9 9 5 ，v 0 1 1 2 ( 5 ) 2 4 “s p e c i a li s s u ef o rd i f f r a c t i v eo p t i c s ”，a p p l o p t ，1 9 9 5 ，v 0 1 3 4 ( 1 4 ) 2 5 金国藩，严瑛白二元光学，国防：【：业出版社，1 9 9 8 ，第一章 2 6thb e t t rms t e v e n s o n ，“d i f f r a c t i v eo p t i c sd e v e l o p m e n tf o ra p p l i c a t i o no nh i g hp o w e r s o l i ds t a t el a s e r s ”，p r o c s p i e ，1 9 9 5 ，v 0 1 2 6 3 3 ：1 2 9 1 4 0 2 7 j a b r i t t e n ，e c t “d i f f r a c t i v eo p t i c sf o rt h en i f ”，u c r l l r 1 0 5 8 2 l - 9 9 2 ，l a w r e n c e l i v e r m o r en a t i o n a ll a b o r a t o r y , l i v a r m o r e ，1 9 9 9 2 8 s n d i x i t ，t p a r h a m “l a r g e a p e r t u r ec o l o r s e p a r a t i o ng r a t i n g sf o r d i v e r t i n gu n c o n v e r t e dl i g h ta w a yf r o mt h en a t i o n a li g n l t l o n f a c i l i t yt a r g e t ”，u c r l - l r - 1 0 5 8 2 1 - 9 8 1 。l a w r e n c el i v e r m o r en a t i o