（光学专业论文）光束匀滑技术在icf激光驱动系统中的应用研究.pdf

光束匀滑技术在i c f 激光驱动系统中的应用研究 光学专业 研究生刘波指导教师郭永康 随着经济发展和人民生活水平的不断提高，人类对能源的需求量越来越多， 激光惯性约束核聚变( i c f ：i n e r t i a lc o n f i n e m e n t f u s i o n ) 的研究对解决当今 世界面临的能源危机具有重要意义。对于实现i c f 的激光装置来说，要求聚 焦到靶面的强激光具有很高的均匀性。本论文以研究束匀滑为主要目标，对光 束匀滑器件的设计、制作和应用等相关问题进行了探索。 基于惯性约束核聚变基本原理及其对激光均匀照明的高要求和我国神光 靶场光学系统中的光束控制要求，分析了各种光束匀滑技术的发展、特点和应 用概况，并根据光波场的标量衍射理论，提出了束匀滑二元光学器件位相优 化设计模型，对光场分布进行离散化，得到了数值计算公式。 在分析随机相位板对光束匀滑作用的基础上，基于人们对偏振匀滑技 术研究较少的情况，应用光波标量衍射理论，对双折射楔及其阵列匀滑随机相 位板所产生干涉斑纹的特性进行了理论分析和数值模拟，计算了当光楔在选取 不同楔角时远场光斑的二维光强分布，以及具有不同单元数目的双折射楔列阵 对光束的匀滑效果，得出单个双折射楔具有最佳的匀滑效果，而且其结构最简 单，制作也最为容易，在实际应用中具有重要意义。并根据分析结果设计了随 机相位板和双折射楔元件的实际制作参数，用光刻方法制作了熔石英基底随机 相位板，进行了初步实验研究。 基于对二元光学束匀滑器件各种优化算法的分析，为扩展传统光学变换操 作区域，提出了在分数域使用微光学元件实现光束匀化，并发展了分数傅里叶 型微光学元件的优化设计算法。通过理论分析和模拟计算，将g - s 算法引入到 分数傅里叶域中，并采用追迹法预设初位相，及对目标函数加以限制的方法， 设计了用于束匀滑的衍射光学元件，较好的达到了设计要求，从理论上验证了 该方法的可行性。该算法具有收敛速度快，优化效果好的特点。 本论文的研究取得了一定的成果，对光束匀滑技术的发展及在神光i 系统 中采用束匀滑器件具有一定的意义。 关键词：惯性约束聚变；光束匀滑；双折射楔；分数傅氏变换；优化算法 s t u d y o n a p p l i c a t i o no f b e a m s m o o t h i n gt e c h n o l o g y i ni c f d r i v e r m a j o r ：o p t i c s g r a d u a t e ：b ol i u s u p e r v i s o r ：y o n g k a n gg u o w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m ya n dt h ei m p r o v e m e n to fp e o p l e sl i f e ， m o r ea n dm o r ee n e r g yi sr e q u i r e d ，t h er e s e a r c ho nt h ei n e r t i a lc o r t f m e m e n tf u s i o ni s s i g n i f i c a n tt or e s o l v i n gt h ew o r l d - w i d ee n e r g yc r i s i s i nt e r m so ft h el a s e re q u i p m e n t o fr e a l i z i n gt h ei c f , t h eh i g i li n t e n s i t yl a s e rr e a c h i n gt h et a r g e tm u s th a v ev e r yh i 曲 u n i f o r m i t y t h i sa r t i c l et a k et h er e s e a r c ho nt h eb e a ms m o o t h i n ga st h em a i ng o a l ， e x p l o r et h ed e s i g n , f a b r i c a t i o na n da p p l i c a t i o no f t h el i g h tb e a ms m o o t h i n g d e v i c e b a s e do nt h eb a s i cp r i n c i p l eo ft h ei c f , t h eh i g hd e m a n d i n go fl a s e rb a l a n c i n g i l l u m i n a t i o na n dt h ec o n 廿o lr e q u i r e m e n to f t h el i g h tb e a mi nt h et a r g e ts y s t e mo fs g - o fo l f fc o u n t r y , a n a l y z i n gt h ed e v e l o p m e n t , f e a t u r ea n da p p l i c a t i o no fv a r i a b l e b e a ms m o o t h i n gt e c h n o l o g y , a c c o r d i n gt ot h es c a l a rd i f f r a c t i o nt h e o r yo ft h eo p t i c f i e l d , p u tf o r w a r dt h eo p t i m i z ed e s i g nm o d e lo ft h eb i n a r yo p t i cp h a s ed e v i c eo n b e a ms m o o t h i n g , d i s c r e t et h eo p t i cf i e l da n dg e tt h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o nf o r m u l a a f t e ra n a l y z i n gt h eb e a ms m o o t h i n ge f f e c to fr a n d o mp h a s ep l a t e t h e t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n dr e s u l t so fn u m e r i c a l c a l c u l a t i o n sf o rt h e c h a r a c t e r i s t i c so fb i r e f r i n g e n tw e d g ea n db wa r r a ys m o o t h i n gi n t e r f e r e n c e s p e c k l e sp r o d u c e db yr a n d o mp h a s ep l a t e sa r ep r e s e n t e d ，u s i n gt h ed i f f r a c t i o n i n t e g r a lt h e o r y c a l c u l a t e dt h es m o o t h i n ge f f e c to fb w a n db wa r r a yw i t h d i f f e r e n tw e d g ea n g l e ，t h er e s u l t ss h o w nt h a tt h eb i r e f r i n g e n tw e d g ew h i c h c a nd e c o r r e l a t eas p e c k l ep a t t e r ni sc o m p l e t e l ye f f e c t i v eo ns m o o t h i n gt h e i n t e r f e r e n c es p e c k l e s a n dt h es i n g l eb i r e f r i n g e n tw e d g e ，w h i c h ss t r u c t u r ei s t h em o s ts i m p l ea n de a s yt om a k e ，h a v et h eb e t t e re f f e c t sf o rb e a ms m o o t h i n g ， t h i si sv e r yi m p o r t a n ti nu s e t h e n ，d e s i g n e dt h er a n d o mp h a s ep l a t ea n d b i r e f r i n g e n tw e d g e ，at e s t o fm e a s u r i n gt h ei n t e n s i t yd i s t r i b u t i o no ft h e f o c u s i n gs p o ti sp e r f o r m e d b a s e do na n a l y z i n ga l lk i n d s o ft h et r a d i t i o n a lp h a s eo p t i m i z a t i o n a l g o r i t h m so fb i n a r yo p t i c a le l e m e n t ( b o e ) ，i no r d e rt oe x t e n dt h e i ro p e r a t i o n d o m a i na n di m p r o v et h ep e r f o r m a n c e ，an e wa l g o r i t h mo fd e s i g nm i c r o - o p t i c a l e l e m e n t si nf r a c t i o n a lf o u r i e rd o m a i nc o m b i n i n gg - si sp r o p o s e d f u r t h e r m o r e ， t h ea l g o r i t h mw i t hp h a s ei n a n t i c i p a t i o n a n do u t p u t p l a n ec o n s t r a i n ti s d e v e l o p e d c o m p a r e dw i t hp e v i o u s l yp u b l i s h e da l g o r i t h m s ，t h i sa l g o r i t h mc a n p r o v i d e f a s t e r c o n v e r g e n c ea n db e t t e rs m o o t h i n gq u a l i t y b yc o m p u t e r s i m u l a t i o n ，i th a ss h o w nt h a tt h ed o ed e s i g n e db yt h i sa l g o r i t h mh a st h e a d v a n t a g e so fh i g hu n i f o r m i t ya tt h em a i nl o b e ，l o wp r o f i l ee i t o ra n ds t e e p e d g e s o m eo fu s e f u lr e s u l t sw e r ea c h i e v e d 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 ；b e a ms m o o t h i n g ；b i r e f r i n g e n tw e d g e ； f r a c t i o n a lf o u r i e rt r a n s f o r m ；o p t i m i z m i o na l g o r i t h m 第一章引青叩川大学硕十学位论文 第一章引言 1 1 激光惯性约束聚变系统 人类的生存和发展，都离不开能源的供给。随着经济和人民生活水平的不 断提高，对能源的需求量越来越多，能源问题已经成为影响人类生存和发展的 关键问题。目前人类社会运转所需的能源主要依赖于煤、石油和天然气等这些 化石能源，而它们都是不可再生的，有枯竭的危险。根据统计，人类已经用掉 了地球上几乎一半的化石能源。按目前人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应求的现象；而到2 4 世纪中叶，地球上的化石能源将会 枯竭。因此，寻求新的能源，已经成为人类社会的迫切需求。 核能的安全使用是缓解能源危机的有效途径。目前已经有许多国家使用核 裂变反应提供的能量，而且也逐渐成为重要的能源来源。然而，核裂变反应的 安全性、对环境的污染以及放射性核废料的处理等问题极大地限制了核裂变能 的实际应用。相对于核裂变，核聚变具有无放射性，单位质量提供的能源多等 优点，而且地球上的核聚变物质储量也远远多于核裂变物质储量。核聚变物质 主要是氘氚，每吨海水里含有4 0 克氘和o 1 克氚。地球的海水量有1 0 亿k m 3 ， 仅表层海水就可供应人类使用几千年。因此，核聚变能被看作是解决能源危机 的希望之所在，另外，核聚变的实验研究还可为核聚变能源的安全利用和实验 室条件下的核试验建立数据库，具有重大的国防价值。实现受控核聚变成为广 大科学工作者孜孜不倦努力的目标2 要实现受控核聚变，必须满足两个基本条件，一是必须将燃料加热到很高 的热核反应温度，二是必须在足够长的时间内将高温高密度等离子体约束在一 起。劳逊( l d w s o n ) 判据3 限定了实现核聚变的具体条件，即受约束的等离子体必 须达到一定的密度( n ) 、温度( r ) 及约束时间( f ) 。对氘一氚反应， 弹f 3 9 1 0 “( s m i l l 3 ) ，t 约为1 0 8 k 为满足此条件，有两种方法可以实 现受控核聚变 本世纪4 0 年代，人们提出磁约束聚变4 ( m a g n e t i cc o n t m c i ：n e n tf u s i o n ，m c f ) 第一章引言硼川大学硕士学位论文 的思想，所谓磁约束聚变，就是指利用磁场将带电粒子约束住，使之发生聚变 的反应经过4 0 多年来几代科学家的努力，目前的磁约束实验装置已经分别可 以将较低温度、低密度的等离子体约束足够长的时间或者在短时间内将等离子 体加热，但是如何使磁约束实验装置中的等离子体在实现长约束时间的同时也 达到核聚变反应所需要的高温，目前仍是一个极大的难题。 在激光问世后，人们提出采用高功率激光器加热燃料达到热核反应温度的 思想。1 9 6 4 年，我国科学家王淦昌教授和前苏联巴索夫院士同时独立地提出了 用激光照射氘氚而产生中子的想法，并于其后不久获得了实验证明，为激光惯 性约束聚变5 6 ( i n e r t i a l c o n f i n e m e n t f u s i o n ，i c f ) 获取核能做出了开创性的工作。 之后在1 9 7 2 年，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的n u c k o l l s 等人发表了利用内 爆原理将热核燃料压缩至高温和高密度实现聚变的概念，取得理论上的突破， 这是惯性约束聚变研究具有里程碑意义的进展。 所谓激光驱动惯性约束聚变，就是基于氢弹原理，即利用高能激光驱动器 在极短时间内将聚变燃料小球( 靶丸) 加热、压缩到高温、高密度，使之在中心“点 火”，点燃后继核反应实现受控聚变，从而获得干净聚变能源7 。其聚变过程如图 1 i 所示，靶丸中心是低密度当量的氘氚气体，外面裹着燃料主体部分：固态或 液态的氘和氚，最外层是烧蚀体组成的壳体。聚变过程可分为四个阶段：强 激光束快速加热氘氚靶丸表面，使之形成一个等离子体烧蚀层；驱动器的能 量以激光或x 光形式迅速传递给烧蚀体，使之加热并迅速膨胀；当壳体外部向 外扩张时，根据动量守恒定理，剩余部分则向中心挤压，反向压缩燃料；向 心聚爆将靶丸压缩至一定程度，使氘氚核燃料达到高温、高密度状态，在靶丸 中心形成热点；热核燃烧在被压缩的燃料内部曼延，使主体燃料发生聚变反 应，产生数倍的能量增益，从而产生大量的聚变能输出。 ( a ) 加热 鬻t 耀t i g 誉疆 ；簿。一藏一羹 螽l 。鬟 ( b ) 压缩( c ) 点火 ( d ) 燃烧 图1 - 1 中心热斑惯性约束聚变的四个过程 第一奇引言 四川大学硕士学位论文 惯性约束核聚变的关键是实现空间钿立体角内的均匀内爆，获得高倍的靶 丸压缩比而达到聚变所需的物理条件。在聚变实现的靶场，靶丸与腔壁等物质 在强激光的作用下会迅速形成等离子体，等离子体的瑞利一泰勒不稳定性以及激 光与等离子体相互作用不稳定性会破坏内爆的均匀性。抑制激光与等离子体相 互作用过程的不稳定性是i c f 驱动激光器总体设计的物理依据之一。激光强度 分布不均匀性和等离子体密度局部不均匀性会降低靶面对激光能量的有效吸 收；等离子体中的成丝( 自聚焦) 会造成散射光并增加内爆靶丸辐射的不均匀 性；受激喇曼散射( s r s ) 、受激布里渊散射( s b s ) 等将产生大量有害的超热电子。 这些现象与驱动激光的照明均匀性直接相关。入射光的空间强度分布越均匀， 不稳定性越小。因此，i c f 对激光照明均匀性提出了很高的要求。 根据强激光束引燃聚变的方式不同，目前惯性约束聚变的实现方式可分为 直接驱动和间接驱动两种8 ，如图l - 2 所示：直接驱动是指直接将激光能量均 匀地辐照到靶上，以获得靶丸内爆的对称性和高的增益。激光与靶壳相互作用 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 产生聚变；采用直接驱动可以通过较少的能量实现聚变点火，但对靶丸辐照的 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 光能量辐照到靶腔的内壁上，靶腔内壁吸收激光能量产生x 射线，由这种强度 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 匀性和对称性要求较之直接驱动要低些，但因为x 光辐射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高。 ( a ) 直接驱动( b ) 间接驱动 图i - 2 惯性约束聚变驱动方式 5 5 。 第一奇引言 四川大学硕士学位论文 目前i c f 以及高功率固体激光技术进入了一个发展高潮时期，激光聚变驱 动技术的研究得到了世界上许多国家的极大重视和投入9 l o 1 1 在这方面，美国 处在领先的地位。1 9 9 8 年1 0 月2 1 日，美国能源部批准了“国家点火装置” ( n a t i o n a li g n i t i o nf a c i l i t y , n i f ) 计划，希望在2 0 1 0 年左右实现热核点火，总投 资1 8 亿美元。从现有报道来看，研制经费还在继续追加。目前，在国家点火装 置进行工程化建造前，美国l l n l 已按n i f 设计参数完成了全尺寸的单路原型 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，为 n i f 的建造打下了良好的基础1 2 。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1 3 ；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1 0 年发展碘激光技 术之后，也转向发展固体激光技术的研究h 。 我国在1 9 8 3 年，建成星光i 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i i ( 6 l ( 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- m 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 1 世纪 前十年建成神光i 激光装置1 5 。 1 2 束匀滑技术在i c f 系统中的应用 1 2 1i c f 对靶面均匀辐照的要求” 成功实现内爆的关键是在靶面形成球对称的烧蚀压。靶面的均匀辐照和球靶 的对称完善是形成均匀烧蚀的保证。 直接驱动中，由于激光直接辐照在靶丸上，能有效地将驱动能量耦合到聚变 靶丸，从而可降低对驱动能量的要求，直接驱动因此受到人们的重视。但是， 激光辐照的不均匀性会直接引起等离子体烧蚀压力不均匀。烧蚀压力的不均匀 第一市引言朗川人学颂t + 学位论文 性又会引起流体力学不稳定性，如瑞利泰勒( r t ) 不稳定性等”，这将破坏球 靶的对称压缩，引起靶丸变形，使有效的密度半径积( p r ) 减小，降低靶的 内爆效率，从而使现实点火条件所需的激光能量大大增加。靶丸变形严重时还 会使靶壳与燃料混合，甚至出现靶丸破裂，导致内爆失败。由于其内爆对辐照 的空b j 分角极为敏感，因而商接驱动对辐照的均匀性要求很高。 与直接驱动相比，日j 接驱动的优势是基于x 光的高流动性，由于受控体约束， x 光被腔壁多次吸取和再发射，易于实现靶丸的均匀辐照，并且用短波长的x 光驱动内爆具有很好的流体力学稳定性。间接驱动放松了对激光束均匀性的要 求，并降低了对流体不稳定性的敏感度。但是，间接驱动面l 临的问题是如何有 效的抑制激光与等离子体相互作用过程中的非线性效应以及如何提高激光的注 入率等问题。 在间接驱动中，激光不直接辐照球靶，但激光在腔壁上的空间分布对x 射线 辐射场的均匀性有影响( 特别是加热初期) ，并且激光在腔壁上的辐照均匀性对 激光x 光射线的能量转换率、以及辐射场的干净性都有影响。光斑中的热点会 导致成丝( f i l a m e n t a t i o n ) ，由于丝中的激光强度比平均值高很多，从而加强了 受激拉曼散射( s b s ) 和受激布里渊散射等非线性过程，这不但会降低激光- x 射线的转换率，还会产生有害的超热电子，提前加热靶丸，影响靶丸的压缩， 从而在最低的压缩能量下实现尽可能高的靶丸密度。因此，间接驱动中，为提 高激光x 射线的转换效率，改善辐射场的高温性、干净性和均匀性，对靶丸实 现有效地压缩，激光均匀辐照也是必须的。 直接驱动与间接驱动的物理过程不同，对束匀滑的要求也不一样。 直接驱动聚变中，为获得球靶的均匀辐照，采用能量均衡的多束高功率激 光在缸立体角内对称、同步地辐照球靶。光束数、光束的空间排布、光束间的 能量或功率平衡以及单光束的截面光强分郝对靶面的辐照均匀性都有影响，必 须对这些因素进行优化，优化的目杯是使靶面的辐照不均匀性小于l 1 8 0 日j 接驱动聚变中，采用两部分反向对称的光束配置，每部分由多个同心圆 锥组成，入射光束均匀分白于其上。为获得内爆要求的高均匀辐照，必须优化 第一幸，j l 言 p u k 竿埘l 学f 论正 设计腔靶的几何结构和光束的空间分却。同时，为改善激光一靶的祸合，抑制 超热电子，形成高温、干净、均匀的x 射线辐照场，还必须考虑光束的匀滑。 间接驱动中的束匀滑主要是为了抑制成丝等非线性效应的产生。因此有效地抑 制激光与等离子体作用中的非线性效应就成为间接驱动对柬匀滑的基本要求之 一。在光束匀滑同时要考虑到激光的有效注入。如果不能对激光有效地注入到 腔内，就不能提供足够的x 射线束辐射驱动靶丸，也就无法实现内爆。 1 2 2 神光一i i i 靶场光学系统简介 根据我国激光核爆模拟的总体规划，神光i l i 强激光惯性约束核聚变装詈的 主要任务是完成辐射输运、辐射流体力学与辐射内爆动力学的实验研究，基本 上能够校验武器模拟程序；同时为解决热核反应及点火实验前的相关物理问题 创造条件，为建立规模经济的神光装置准备条件。这决定了其将以日j 接驱动 方式为主，直接驱动与其他机制为辅悖。 神光i 装置靶场均匀照明有关的主要参数及要求如下： 1 激光光束打靶6 0 束( 两端洞口各3 0 柬) ； 2 入射的激光光束在靶腔壁面上需均匀分布，“弹着点”位置要准确； 3 靶面激光强度i 2 x 1 0 ”w r a m 2 ，靶面焦斑直径应 _ 2 5 0 1 m ，且焦斑光强分布 平顶、陡边、无旁瓣； 4 要有9 0 以上的“入洞”效率，以此克服洞边缘在强激光照射下形成等离子 体，发生横向膨胀的“堵口”效应： 5 消除靶面光强分白中空问周期1 0 “m 以上的低频调制； 6 要求焦斑形状尽可能为圆形。 在神光的原型装置t i l ( t e c h n i c a li n t e g r a t i o ne x p e r i m e n tl i n e ) 中，其 靶场光学系统的排白俯视图如图1 3 所示。在靶场光学系统中，从主放大 缴输出的基频光l 田经倍频晶体转化为二倍频光2 w ，再通过混频晶体得到 打靶所需的三倍频光3 w 。若靶室中残余l 巧与2 w 光，将对物理实验产生严 重干扰，因此，为保证进入靶室激光频率的“干净性”，需利用谐波分离 第一章引言 四川大学硕士学位论文 器件将l a x 、2 w 与3 口激光严格分离。为测量激光参数，利用低效率 ( 0 1 o 0 l ) 的测量取样器件分出少量激光用于测量。束匀滑器件与聚焦 透镜将激光束聚焦在靶面，并实现均匀照明以满足物理实验要求。 图1 - 3神光原型装置靶场光学系统排布俯视图 在惯性约束核聚变靶场光学系统中的这几种特殊光学功能器件，可以 统称为光束控制器件它们分别起到控制光强分布、谐波分离、测量取样、 聚焦等作用。本论文的重点是研究控制光强分布的束匀滑器件 1 3 束匀滑技术发展现状 无论对间接驱动，还是直接驱动，产生聚变的关键问题在于建立一个均匀 的辐射场，光束匀滑技术即是用于改善靶面的辐照均匀性。国内外学者已提出 了多种束匀滑技术方案，大致可分为两类：空域平滑技术和时域平滑技术。 第一章引言四川大学硕士学位论文 1 3 1 空域平滑技术 空域平滑技术对光束进行近场微分、远场积分，控制靶面激光强度分布包 络，消除焦斑的大尺度不均匀性，使焦斑光强分布总体上满足靶面均匀照明要 求。 空域束匀滑器件有振幅型和位相型两种。振幅型器件主要有软边光阑和波 纹光阑。其最大的缺点在于能量利用率不高，而能量( 或功率) 对于惯性约束 核聚变是至关重要的，故采用纯位相器件实现束匀滑及其他光束控制为主要研 究方向。在这方面，国内外已开展了许多工作。在此介绍几种纯位相器件 ( 1 ) 透镜阵列( l a ：l e n sa r r a y ) 4 “ l a 是由邓锡铭等人提出的一种均匀照明技术，是用相干光准近场照明获得 焦斑上的均匀光强分布。如图l - 4 所示，该系统是由一个主聚焦透镜和置于其前 的透镜阵列组成。透镜阵列是将上百只相同的小透镜拼接而成，激光入射到上 面被子透镜分割成多个子束，然后由主聚焦透镜将各子束会聚在靶面上，由于 各子光束都同样迭加在靶面，靶面上的强度分布对入射光强的不均匀性不敏感， 即可消除大尺度的不均匀性。透镜列阵的主要特点有：光斑的叠加为近场叠加， 无旁瓣，可获得接近平顶的包络分布，能量利用率较高。同样由于子束间的干 涉，仍存在斑纹结构。但其工作在准近场( 主透镜的焦面上) ，焦深短，单元衍 射引起大尺度不均匀。为消除衍射的影响，需将靶面放置在一个适当的离焦位 置上，使各子束焦斑不完全重叠，从而将衍射条纹抹平。但是这样做的效果是 有限的，尤其是当系统的菲涅耳数较小时，菲涅耳衍射环少，靠离焦补偿很困 难。另外，大口径透镜阵列制作难度大，成本高。 图1 4 透镜阵列均匀照 j 1 鹑一幸高删，1 1 人掣岫l 学位论史 ( 2 ) 位相波带片( p z p ：p h a s ez o n ep l a t e s ) “ 用菲涅耳波带片阵列作为子透镜阵列实现束匀滑。菲涅耳波带片用二元光 学的方法制作在玻璃基片上，可根据不同的入射激光波面设计出不同的形状和 尺寸的子透镜，从而可得到不同形状的焦斑，制作比较容易。由于波带片的形 状和尺寸可随意改变，因此焦斑的彤状在一定程度上可调。其他特性与透镜阵 列一样。 ( 3 ) 光楔阵列( w a ：w e d g ea r r a y ) 0 4 用一对上下( 或左右) 对称的光楔阵列( 由多个楔角不同的光楔透镜拼 接而成) 和非球面透镜组合而成的光学系统，与透镜阵列一样能实现光斑的匀 滑。如图1 5 所示，入射光束通过正交光楔阵列系统后分割为多个子束，各子光 束在“重叠焦面”上完全重叠会聚，聚焦透镜再将其成像在靶面上，使光强不 均匀的子光束相互补偿，在靶面上得到均匀分布的方形焦斑，但由于单元衍射 和子束问的干涉，光斑仍有一定的大尺度不均匀性，可采用楔角偏差法， 使各单元的衍射包络相互稍微错位，从而起到一定的匀滑作用。此外，改 变正交光楔阵列与聚焦透镜日j 的距离，可在一定范围内改变光斑的尺度光斑 为子束的近场叠加，无旁瓣，衍射效率高，且系统加工容易，拼接安装方便， 造价低。 t d 上 图1 5 正交光楔列阵均匀照明系统 l 第一帝引言册川大学碗卜学位论文 ( 4 ) 随机位相片( r p p ：r a n d o mp h a s ep l a t e ) 4 “ 随机位相片最早由y k a t o 和k m i m a 提出，如图l 一5 。在主聚焦透镜j j 放置 一个图1 6 左所示的玻璃或石英基底的光学器件，其表面直接刻蚀或镀膜形成浮 雕结构。各单元可以是正方形、正六边形、正三边形等，位相是0 或n ，随机 确定，但最后要保证位相为0 和的单元数相同以避免在焦面光轴上出现光强 的锐脉冲。入射激光束破r p p 分割为许多大小相同、具有o 或随机相移的子 光束，经聚焦透镜后分别传递到同一靶面，各子光束衍射图样随机相干叠加就 产生了靶面均匀照明效果。 r p p 的制作和分析较为简单，能有效地消除焦斑的大尺度不均匀性，并且， 通过选择适当的离焦距离可进一步控制光斑包络，已普遍用于激光聚变实验中。 r p p d - 1 卜- 图1 - 6r p p 均匀照明系统示意图 ( 5 ) 相息图位相片( k p p ：k i n o f o r mp h a s ep l a t e ) ”捌 相息图位相片( k p p ) 的原理如图1 7 所示。入射波面经k p p 位相调制，在 主聚焦透镜焦面上得到均匀照明。k p p 技术利用连续变化的近场位相屏来产生 任意焦面光强分却，它克服了r p p 具有位相突变点的缺点，具有高的衍射效率。 利用优化算法进行位相设计，能控制靶面光强分布，获取平顶、陡边、旁瓣小 的光强分布，并能灵活控制焦斑形状。 第一童引言 四川大学硕十学位论文 k p p聚焦透镜靶面 i一 i )。 ， i 1 3 2 时域平滑技术 图l - 7k p p 光路示意图 时域平滑技术是降低光束相干性的束匀滑技术。利用宽带激光光谱色散或 光束扫描技术，使焦斑上的斑纹随时间快速变化，在足够短的时间间隔内达到 时间意义上的平滑，以消除小尺度不均匀性。时间匀滑技术包括感生空间非相 干光、光谱角色散、部分相干光、电光偏转等。 ( 1 ) 感生空间非相干( i s hi n d u c e ds p a t i a li n c o h e r e n c e ) 将相干时间远小于脉冲持续时间的宽带光入射到一对正交阶梯光栅上，使相 邻阶梯的延时差大于相干时间，其作用是分割出多个不相干的子束，再经透镜 会聚后，这些子束的衍射图斑将先后在靶面出现，即靶面上的图斑不断变化， 当靶的流体动力学响应时间远大于相干时间时，靶面只对经一段时间平滑了的 衍射图斑有响应，这样便实现了时间意义上的时间均匀辐照。通过控制阶梯表 面倾角，还可有效地控制聚焦光斑的光强分布，获得平顶的光斑。i s i 是一种时、 空耦合的平滑技术，将时间不相干转化为空间不想干，故称为感生空间非相干 ( 2 ) 部分相干光( p c l ：p a r t i a l l yc o h e r e n tl i g h t ) 柚 部分相干光有较低的空间相干性和时间相干性，其特征是有较大的谱宽和发 散角，用部分相干光照射随机位相板时，能使靶面叠加的瞬时独立图斑增多， 并随时间快速变化。根据光斑的统计分析可知，这样能有效地改善靶面的辐照 均匀性。部分相干光对靶面辐照均匀性的改善特性由部分相干光的发散角和谱 第一章引言 硼川大学颁 学位论文 宽决定。由于部分相干光平滑斑纹是基于斑纹随时间变化的时间积分效应和强 度分布不相关的多组斑纹即时叠加这一事实，这类似于i s i 。 ( 3 ) 光谱角色散( s s d ：s m o o t h i n go f s p e c t r a l l yd i s p e r s e d ) 3 1 光谱角色散平滑是用光栅将时间部分相干的宽带光色散在随机位相板上 ( r p p ) ，使通过r p p 各单元的光具有不同频率，由于各子束间的相对位相差由 于各自的频率不同而随时间改变，各子束在聚焦透镜的焦面上的干涉斑纹也随 时间变化，经过一段时间后，在能量的时间积累效应上将获得平滑的光斑。 ( 4 ) 电光偏转( e o d ：e l e c t r o - o p t i cd e f l e c t o r ) “ 在电光晶体上施加时变电场梯度，对通过电光晶体的光束产生时变的角偏 转，使靶面斑纹快速移动，从时间累积的意义上把斑纹平滑掉。e o d 的匀滑原 理类似于s s d ，但结构更简单，不需要s s d 中的色散光栅。但是在光束偏转角 最大时，较大部分靶面得不到辐照，造成光束指向误差效应。而在s s d 中整个 靶面始终受到辐照，色循环可达半个靶面，较大尺度的不均匀性也能被降低。 ( 5 ) 光纤耦合器( o f c ：o p t i c a lf i b e r c o u p l e r ) 增加独立叠加的光斑数可用光纤技术实现，用不同长度的光纤将多束p c l 光延迟后再耦合成一束光，优化延迟时间差可获得最大的独立光斑数。 从对光斑匀滑效果、能量利用率、抗波面畸变能力、造价、制作工艺等特 性来看，以上所述的束匀滑技术各有特点。空间匀滑技术的作用是消除近场起 伏对光斑均匀性的影响，主要是消除大尺度不均匀性，控制光斑的光强包络。 时间匀滑技术的作用主要是消除光斑上的小尺度不均匀性，其匀滑作用决定于 其匀滑速度。故无论是空间匀滑，或是时间匀滑都存在着某种局限性，至今还 没有哪一种束匀滑技术单独使用即能完全满足靶面均匀辐照的要求。 在这些束匀滑技术中，人们更多的是通过直接控制光束的振幅或相位分布 来改善靶面光强分布，而偏振态作为光束的一个重要性质却往往被忽视掉了， 做为设计中的一个自由度，通过控制光束偏振态，能进一步起到匀滑光束的作 第一章引言 四川大学颂卜学位论文 用。美国国家点火装霄( n i f ) 中己提出采用偏振匀滑技术3 3 ，且国内外已有一 些相关报道，但还未见有详细的分析结果和可行的实用方案。因此，对偏振匀 滑技术还应做进一步的研究、探讨。 为达到靶面辐照均匀性的要求，需进行多方面的探索，将多种技术结合使 用，通过适当选取并合理组合，彳能达到系统的具体要求。 1 4 本论文的主要内容 本论文以中物院基金项目任务为牵引，以研究神光i i i 靶面均匀辐照所需的 束匀滑技术为目标，对光束匀滑器件的设计、制作和应用等相关问题开展了研 究工作，取得了一定的结果，为在神光i 中采用偏振束匀滑器件提供了定的 理论和技术参考。 1 4 1 本论文主要研究工作 1 对双折射楔及其阵列匀滑随机相位板所产生干涉斑纹的特性进行了理论分 析和数值模拟，计算了当光楔在选取不同楔角时远场光斑的二维光强分布， 以及具有不同单元数目的双折射楔列阵对光束的匀滑效果。 2 根据需要设计了随机相位扳，双折射楔元件实际制作参数，并用光刻方法制 作了实验用随机位相板。 3 通过理论分析和模拟计算，我们将g s 算法引入到分数傅垦叶域中，设计了 用于束匀滑的衍射光学元件，较好的达到了设计要求，从理论上验证了该方 法的可行性。 1 4 2 本论文的主要工作及内容安排 全文共分五章： 第一章引言介绍了惯性约束核聚变及其激光均匀照明要求和我国神 第一孝0 f 言 网i f l 大学硕士学位论文 第二章 第三章 第四章 第五章 光i 靶场光学系统中的光束控制要求。分析了各种光束匀滑技 术的发展、特点和应用概况，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。 标量衍射理论及二元光学束匀滑器件的设计方法本章介绍 了光波场的标量衍射理论，对二元光学器件的发展，特点以及 应用情况做了详细阐述，并根据i c f 对束匀滑器件的具体要求 和光场传播的变换关系，提出束匀滑二元光学器件位相优化 设计模型，并离散化光场分布，得到数值计算公式。 双折射楔对干涉斑纹的偏振匀滑对双折射楔及其阵列匀滑 随机相位板所产生干涉斑纹的特性进行了理论分析和数值模 拟，计算了当光楔在选取不同楔角时远场光斑的二维光强分布， 以及具有不同单元数目的双折射楔列阵对光束的匀滑效果。并 根据理论计算结果，进行了实验研究。 分数傅里叶型光束整形元件详细介绍了分数傅里叶变换的 定义，性质和实现方法，提出基于分数傅里叶变换的思想，采 用g - s 算法优化设计用于i c f 终端光学系统实现光束匀滑的分 数傅里叶型衍射光学元件。 总结总结本论文工作的创新点，并指出需进一步深入研 究的几个问题。 第一帝引言四川大学币十学位论文 参考文献 王淦昌，“惯性约束核聚变”，科学中国人，1 9 9 5 2 贺贤士，“惯性约束核聚变研究进展和展望”，核科学与工程，2 0 0 0 ，2 0 ( 3 ) j d l a w s o n ，“s o m e c r i t e r i a f o r a p o w e r p r o d u c i n g t h e r m o n u c l e a r r e a c t o r ”， p r o e p h y s s e e l o n d o n1 9 5 7 ，b 7 0 ，6 。 4 张家泰，“激光等离子体相互作用物理”，中国工程物理研究院北京研究生部，1 9 9 5 年 w a n g g c - 。s u g g e s t i o n o f n e u t r o n g e n e r a t i o n w i t h p o w e r f u l l a s e r s ”，c h m e s ej o f l a s e r s ， 1 9 8 7 ，v e l 1 4 ( 1l k 6 4 1 6 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 7 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 9 高功率激光及等离子体物理研究论文集b ，中国科学院中国工程物理研究院高 功率激光物理联合实验室，1 9 9 2 一1 9 9 5 1 0 “c o l l e c t i o no ft h e s i so nh l g hp o w e rl a s e ra n dp l a s m ap h y s i c sa ”，n a t i o n a l l a b o r a t o r yo nh i g hp o w e rl a s e ra n dp h y s i c s ，1 9 9 5 3 3 6 7 ”l a w r e n c el i v e r m o r en a t i o n a ll a b o r a t o r y 。惯性约束聚变驱动源译文集”，中国 工程物理研究院核物理与化学所强激光技术室译，绵阳：1 9 9 6 1 2b m v a n w o n t e r g h e me 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 1 3m i c h e ll a n d r e ，“s t a t u so ft h el m jp r o j e c t ”。p r o c s p l e ，v e l 3 0 4 7 ：3 8 4 2 1 4j a m e 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 e s p i e ，1 9 9 5 ，v e l 2 6 3 3 1 5y u j u r lz 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 e s p i e ， v e l 3 0 4 7 ： 5 4 5 8 1 6 肖俊，“激光聚变靶面均匀照明的研究”，四川大学，1 9 9 8 1 7m h e m e r y ，j h g a r d n e r ，a n dj p 。b o r i s ，“r a y l e i