（光学专业论文）高功率固体激光光束质量诊断方法研究.pdf

。 四川大学母! 十学位论丈 高功率固体激光光束质量诊断方法研究 光学专业 研究生赵军普指导教师彭翰生 光束质量诊断是激光领域的一项重要基础研究内容，从激光出现到目前一 直备受关注，但是由于不同应用目的对光束“质”的要求不同，因此光束质量 评价至今没有形成统一的标准，也未建立起标准的测量方法。惯性约束聚变o c f ) 领域的激光驱动装置，运行于高功率密度状态，因而非线性效应明显，元件破 坏风险大；系统庞大影响因素复杂，对测量精度要求却很高，加之对光束近远 场强度分布要求特殊，因此对描述光束质量的评价参数必须进行有针对性的研 究，光束质量测量也必须寻找各种非相关的手段以验证测量结果的可靠性和准 确性。本文在目前i c f 固体激光驱动装置光束质量评价和测量方法的基础上， 围绕光束质量诊断中两个急待解决的问题：光束近场调制评价和光束质量诊断 系统自身验证问题开展了研究工作，主要内容包括以下几个方面： 1 基于数理统计理论，建立了通量概率密度和功率谱密度两种近场光束质 量评价模型，研究了两者之间的联系，提出中频对比度、特征频率和。调制度 作为新的近场评价参数。 2 根据两种近场评价模型，对t i l 装置从静态到5 0 g w e m 2 高强度输出 光束近场强度分布进行了统计分析。研究表明，空间频域分析方法更具优越性， 并依据特征频率找出了近场的小尺度固定周期性调制来源，结合模拟计算结果 验证了实验分析的正确性。且在此基础上，研究了周期调制光束离开系统后在 自由空间传输的演化特性。 3 利用空间位相调制的径向剪切干涉仪，研究了从单幅干涉图中获取高功 率激光装置光束波前位相，近场和远场，从而实现光束质量综合诊断的方法。 通过5 0 j 能垦之内的干涉仪测量结果和c c d 直接测量结果之间的对比，验证了 婴型查兰堡主兰竺丝苎 该方法的可行性。 4 针对高功率激光装胃的输出特性，综合考虑近场的宅问频谱特征和目前 干涉仪的极限载频，预估了高功率下实现光束质量综合诊断存在的问题，并提 出了解决这一问题的方案。 5 对实验测量图像数据的去噪问题和诊断系统的像差标定问题进行了讨 论，并提出了一些初步判据。 论文的研究方法和结果对我国i c f 高功率固体激光装置光束质量的诊断具 有重要的理论意义和工程应用价值。 关键词：i c f 高功率固体激光光束质量近场波前位相远场功率谱密度 空间位相调制径向剪切干涉法 i i 四川大学硕士学位论文 s t u d yo nh i g hp o w e rs o l i d s t a t el a s e r b e a m q u a l i t yd i a g n o s i s m a j o r ：o p t i c s p o s t g r a d u a t e ：z h a oj u n p u s u p e r v i s o r ：p e n gh a n s h e n g b e a mq u a l i t yd i a g n o s i si so n eo ft h ei m p o r t a n tf o u n d a t i o nc o n t e n t si nl a s e r r e s e a r c hf i e l d t h er e q u i r e m e n ti sd i f f e r e n tf o rd i f f e r e n ta p p l i c a t i o np u r p o s e ，s ot h e r e i sn o tas t a n d a r dt oe v a l u a t eb e a mq u a f i t ya n dam e t h o dt om e a s u r eb e a mp a r a m e t e r u pt on o w i nt h ei n e r t i a lc o n f m e m e n tf u s i o n ( i c f ) f i l e d ，t h el a s e rf a c i l i t yw o r k si n t h eh i 曲i n t e n s i t ys t a t e , s on o n l i n e a re f f e c t sa l eo b v i o u sa n dd a m a g er i s ko fo p t i c a l e l e m e n ti ss e r i o u s t h ep r e c i s em e a s u r e m e n ti sr e q u i r e df o rt h el a r g es y s t e mw i t h c o m p l i c a t e d i n f l u e n c ef a c t o r s ，s ot h eb e a m q u a l i t y c h a r a c t e r i z a t i o nm u s tb e r e s e a r c h e ds p e c i a l l ya n dt h em e a s u r e m e n tm u s tf m ds o m en o n - r e l a t e dm e t h o d st o v e r i f yt h ea c c u r a c ya tt h es a m et i m e t h i st h e s i sf o c u s e so nt w ou r g e n tp r o b l e m s ： n e a rf i e l db e a mq u a l i t yc h a r a c t e r i z a t i o na n ds e l fc e r t i f i c a t i o no fb e a mq u a l i t y d i a g n o s t i cs y s t e m t h em a i nr e s u l t so b t a i n e dh e r ec a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 b a s e do nt h em a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c s ，t w oc h a r a c t e d z a t i o nm o d e i sf o rn e a r f i e l db e a mq u a l i t yh a v eb e e nb u i l tu p ：f l u e n c ed i s t r i b u t i o na n dp o w e r s p e c t r a ld e n s i t y r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et w om o d e l si ss t u d i e d ，a n dt h e nam o d u l a t i o n ，m e d i a n f r e q u e n c yc o n t r a s tr m s va n dc h a r a c t e r i s t i cf r e q u e n c yv tw e r ee x t r a c t e da sn e wn e a r f k l de v a l u a t i o np a r a m e t e r 2 o u t p u tn e a rf i e l do ft i lf r o ms t a t i cs t a t et o5 g w c m 2 w e r ea n a l y z e db yt h e t w on e a rf i l e de v a l u a t i o nm o d e l s i ti sf o u n dt h a tt h es p a t i a lf r e q u e n c ym e t h o di s m o r ea d v a n t a g e o u st h a nt h es p a t i a ld o m a i nm e t h o d t h es o u r c eo fs t a b l en e a rf i e l d p e r i o d i cm o d u l a t i o nw a sf o u n db yc h a r a c t e r i s t i cf r e q u e n c yo fi t ，t h e nt h er e l i a b i l i t y m 四川大学硕十学位论文 w a sv e r i f i e db yn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n 3 b yt h er a d i a ls h e a r i n gi n t e r f e r o m e t e r ( r s i ) ，t h em e t h o df o rc o m b i n e dp h a s e ， n e a l f i e l da n df a rf i e l d d i a g n o s t i cf o rl a r g el a s e rf a c i l i t yw a sd i s c u s s e d t h e c o m p a r i s o n sb e t w e e nt h er e s u l t sm e a s u r e db yr s ia n dt h er e s u l t sm e a s u r e dd i r e c t l y w i t hc c dc a m e r a sh a v e b e e nd o n eu n d e r5 0 j a n dt h er e s u l ts h o wt h a tt h i sm e t h o di s c o i t e c ta n dr e l i a b l e 4 b a s e do nt h e o u t p u tc h a r a c t e ro fl a s e r , t h em a x i m u ms p e c i a lc a r r i e r f r e q u e n c yo fr s ia n dc h a r a c t e r i s t i cf r e q u e n c yo fn e a rf i e l dw a sc o n s i d e r e da ts a m e t i m e t h ep r o b l e mo ft h ec o m b i n e dd i a g n o s i si se v a l u a t e di nb e a m q u a l h yd i a g n o s i s i nh i g hi n t e n s i t ys t a t e 。a n dt h es o l u t i o n so fi tw e t ed i s c u s s e da tt h es a m et i m e 5 i n h i b i t i n gi m a g en o i s ea n do p t i c a la b e r r a t i o nc a l i b r a t i o no fd i a g n o s i ss y s t e m a r ed i s c u s s e d ，a n ds o m e p r e l i m i n a r yc r i t e r i o n sa r eb u i l tu p t h em e t h o d sa n dr e s u l t si nt h i st h e s i sw o u l db eu s e f u lf o rt h eb e a mq u a l i t y d i a g n o s i so fh i g hp o w e rs o l i d - s t a t el a s e ri no u rc o u n t r y k e yw o r d s ：i c fh i g hp o w e rs o l i d s t a t el a s e r , b e a mq u a l i t y , n e a rf i e l d , p h a s e ， f a rf i e l d ，p s d ，s p a t i a lp h a s em o d u l a t i o n ，r a d i a ls h e a r i n gi n t e r f e r o m e t e r 四川人学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 惯性约束聚变( io f ) 与高功率固体激光驱动器 随着人类社会的高速发展，对能源的需求也在不断增加。据预测，2 1 世纪 能源总需求为1 5 0 - q 7 0 q ( 1 q = 1 0 5 1 0 ”j ) ，然而，地球上煤和石油的储量约 为1 0 0 q ，天然气储量则为2 - 6 q t ”，显然，单靠这几种能源难以满足未来社会 维持现代化生活的需求，因此，开发新能源势在必行。太阳能和风能的能流密 度很低，且不稳定，因此配套工程成本很高，大规模地利用它们进行工业发电 存在许多困难。水能虽然是一种经济清洁又可以大规模运用、可再生的能源， 但由于其建设周期长，资源有限，不能成为未来能源的主要成份。这样一来， 核能开发成了全世界关注的一个问题。尤其是聚变能，因为它较裂变能安全、 无污染、不造成核扩散，而且资源非常丰富( 地球上海水中的氘总共可提供聚 变能约5x1 0 1 0 q ，足够人类使用1 0 m 年) ，所以是未来最育希望的能源。也正 因为如此，各大国己纷纷投巨资进行该项目的研究，其发展状况在一定程度上 也反映了一个国家的科技进步水平及综合国力。 a t m o s p a 啪 f o t m a l i o n 奄奄 、 u 高功率激光是惯性约束聚变( 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 ) 驱动源技术 之一，较之其他途径如粒子束等技术更加成熟。其基本原理为：利用激光束直 接加热或者利用激光束照射高z 材科转换成的亚千电子伏的x 射线间接加热装 四川大学硕士学位论文 有聚变燃料的微球靶丸表面，形成等离子体高速外喷，反作用力使靶物质以数 百公里每秒的速度向内会聚，把热核燃料压缩。预计燃料压缩到铅密度的2 0 倍， 温度达到1 0 8k 就能够实现热核材料点火和燃烧，释放出聚变能 z 1 ，其原理如图 1 1 所示。由于直接驱动方式对靶面辐照均匀性要求很高，均方根要达到1 - - 2 ， 实验中很难达到，间接驱动方式对辐照均匀性的要求约降低一个数量级，所以 目前的主导方向为问接驱动，其原理如图1 2 所示： 图1 2i c f 间接驱动示意图 如 进入2 0 世纪9 0 年代中期，随着全面核蔡试条约的签署，各核大国将核武 器物理研究方式转向实验室研究和数值模拟为主。高功率固体激光装置是实验 室中能够创造高温高压物态条件的最佳技术途径1 3 1 。 正因为如此，各大国在驱动器发展领域的竞争非常激烈( 见表1 1 ) 。在这 一领域，美国一直处于领先地位。1 9 9 8 年l o 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 l i g n i t i o n f a c i l i t y , n i f ) 计划，其设计目标是：1 9 2 路光束、 1 6 0 0 c m 2 口径的光学元件、5 0 0 t w 的输出功率、1 8 m j 的输出能量，总投资将 达到3 8 亿美元，被认为是所有已设计的激光系统中规模最大、造价最高的，希 望能在2 0 1 0 年左右实现点火，目前n i f 已完成其中四束出光实验【4 5 l 。法国、日 本、中国、英国、俄罗斯等国也纷纷投入巨大的人力和财力从事这方面的研究。 表1 1 各国建成和在建的典型高功率固体激光装置 i 量 研究激光 能量脉宽波长驱动放大建成时 柬数 机构装置 ( k j )( n s )0 t m )方式 构型 间( 年) l 美 l l n l s h i v a1 0l1 0 62 0单程m o p a1 9 7 7 四川l 学硕t 学位论文 国n o v a4 01 30 3 5l o 问接单捍m o p a1 9 8 4 1 2 t w0 0 5 o m e g a o 3 5 2 4 直接 单程m o p a 1 9 8 0 1 7 5 0 3 l l e o m e g a 4 5o 1 lo 3 56 0 直接 单程m o p a1 9 9 6 u p g r a d e 1 8 0 0直接& 在建 l l n ln i f 3 - 5o 3 5 1 9 2 四程放大 ( 5 0 0 t w ) 间接 ( 2 0 1 0 ) 日 i l eg e k k o 2 0o 1 10 3 51 2 直接 单程m o p a1 9 8 3 太 p h e b u sl o1o 3 52间接单程m o p a1 9 8 6 法 l i m e i l 直接&在建 国l m j 1 8 0 03 5o 3 5 2 4 0 四程放大 间接( 2 0 1 0 ) 英 r a lv u l e a n2o 1 lo 5 38 单程m o p a 俄 v n u e f i s k a r a 63 0 0 i 3o _ 3 51 2 8四程放大 在建 s l o f m 神光i 1 6l1 0 62 间接 单程m o p a1 9 8 6 c a e p 星光i io 1 50 1 1o t 3 5 l 间接单程m o p a1 9 9 4 4 8 - 6l1 0 6 由 s i o f m 神光 8 间接双程放大2 0 0 0 国 3 l0 3 5 t i l1 0l 5 1 0 6 8 间接四程放大在建 c 址p6 0 在建 神光m1 - 50 3 5 6 0 间接四程放大 ( 6 0 t w ) ( 2 0 1 2 ) 1 2ic f 对高功率激光装置光束质量的要求 “光束质量”一词从激光出现之始到目前为止在评价激光器性能时广泛使 用，但是至今仍然没有一个统一的定义，甚至“光束质量”的物理含义也经常 是模糊的，对于一个从事激光全息应用的科研工作者，相干性好的光束就是光 束质量好的光束，对于从事激光雷达、激光遥感和激光武器这类需要远距离传 送激光能量的科研工作者而言，方向性好的光束就是光束质量好的光束，而对 g t l 川大学硕士学位论文 于从事激光切割、激光打孔应用的专家来说，越接近基馍高斯光束的光束越好。 由此可见按照不同的应用耳的，选取不同的比较标准和评价参数是从实际出发 解决这一问题的有效方法【6 “1 。国际标准化组织( i n t e m a t i o n a ls t a n d a r d o r g a n i z a t i o n ，i s o ) 也举行过多次会议研讨激光参数定义，测量方法和激光束 的描述等问题，时止今日，研究工作仍十分活跃，取得不少进展，但问题尚未 完全解决。 在光束质量研究过程中，最具代表意义的是2 0 世纪9 0 年代初s i e g m a n 依 据光传输理论提出m 2 因子概念。它以基模高斯光束作为理想参考光束，以实 际光束的空间束宽积( 束宽和远场发散角乘积) 和理想光束的空间束宽积之间 的比值作为评价参数，称为m 2 因子，随后r u f f 提出了利用c c d 测量m 2 因子 的方法【9 】。m 2 因子最初也被称为光束质量因子，这是因为一般情况下，激光束 通过理想无衍射、无像差光学系统时，光束束宽积是一个不变量，因此m 2 因 子被认为是判断光束质量最客观公证的参数。然而关于m 2 因子是否能作为评 价光束质量的唯一参数激光学术界一直存在争议i l ，后s i e g m a n 教授对浙2 因 子的提法又作了更为明确的表述：( 1 ) m 2 是光束传输因子( t e a mp r o p a g a t i o n f a c t o r ) 而不是光束质量因子；( 2 ) 除了用二阶矩定义的测量结果外，不能称为m 2 值1 6 i 。目前，对于基模高斯光束应用的场合，m 2 因子已被广泛采用，商业激光 器产品中也普遍使用此参数描述激光器的性能，测量m 2 值的商业仪器产品市 场上也可以见到。 对于i c f 高功率激光装置，基模高斯光束并不是追求的理想光束，而且仅 仅依靠一个评价参数也不可能把光束的特性完全描述出来，因此m 2 因子在国 内外的大型激光装置上未被采用，而是依据应用目的针对性的提出自己的评价 指标i l l “”。总体而言i c f 对光束质量的要求主要包括下面几点：对于光束近场， 需综合考虑三方面因素，首先尽可能提高增益介质的能量提取效率，其次降低 传输中的非线性效应引起的光学元件破坏风险，最后要减小衍射引起的光束调 制，因此要求近场为方形平顶高斯分布。近场光束质量通常主要指强度分布的 均匀性，n i f 要求近场平顶区域通量对比度c 1 0 ，调制度m 1 5 ；对于光束 远场，首先是对能量集中度的要求，n i f 的i c f 间接驱动最初要求9 5 的能量 包含在6 0 0 t m 的圆内，最近文献表明这一要求改为5 0 0 t i n x l 0 0 0 u r n 的椭圆，该 指标可能还会随着对激光靶祸合研究的进一步深入而更为明确，我国神光i i i 4 四川大学硕士学位论文 装置要求3 5 1 z r a d 之内集中9 5 以上的激光能量。为了达到靶面均匀辐照的目 的，i c f 要求光束远场同样为平顶分布，同时为了避免出现堵孔效应，要求远 场“旁瓣”强度( 靶孔之外激光强度) 不能超过1 0 1 2 w u a l l 2 。 1 3 激光光束质量评价与测量方法国内外研究现状 1 ，3 1 光束质量评价方法研究现状 在激光的发展过程中，曾用多种参数评价激光光束质量，包括聚焦光斑尺 寸、远场发散角、斯特列尔比、衍射极限倍数、桶中功率和m 2 因子等【m 埘。 上述评价参数基本都是针对光束远场而定义的。 用聚焦光斑尺寸作为衡量光束质量的标准比较直观方便，但是焦斑尺寸不 仅和光束本身特性有关，还与所用的聚焦光学系统特性有关，因此只用焦斑尺 寸作为光束质量的判据是不足的。对于平面波聚焦光斑，取焦斑尺寸和聚焦系 统焦距，的比值可以消除评判参数与聚焦系统的关系，该比值称为远场发散角 或衍射角，需要特别提醒的是平面波光束和高斯光束的发散角定义是不同的， 不能混淆f 驯。远场发散角虽然和聚焦系统焦距无关，但是和束宽有关，通过扩 束或缩束会改变远场发散角值的大小，所以用远场发散角评价光束质量时，必 须将激光束宽取为一确定值后进行比较才有意义。斯特列尔t z ( s t r e h lr a t i o ，s r ) 定义为实际焦斑峰值功率和理想焦斑峰值功率之比，s r 对像差比较敏感，像差 的存在会使s r 迅速下降，因此比较适合用于评价高质量光束。桶中功率( p o w e r i nt h e b u c k e t ，p i b ) ，也称环围功率( 能量) ，定义为远场给定尺寸的“桶”中包 围的激光功率占总功率的百分比，可以全面表征光束的能量集中状态，并且可 以规定几个规范“桶”来表征光场不同空间频段的能量分布状况，在大型激光 装置上普遍采用，n i f 使用总能量的5 0 ，8 0 ，9 0 ，9 5 四个能量百分比 作为规范“桶”，以规范“桶”对应的光束远场发散角半角作为光束质量评价参 数。衍射极限倍数，有限宽度的光束经透镜聚焦后，根据衍射理论不可能成为 理想几何点，而是出现明暗相间的衍射图案，以第一暗环对应的聚焦光斑尺寸 作为标尺，称为一倍衍射极限，以理想光束一倍衍射极限包含的光束总能量百 分比作为规范“桶”，把实际光束远场包含该能量百分比的尺寸和一倍衍射极限 刖川人学硕七学位论文 的比值称为衍射极限倍数，该评价参数和聚焦系统及光束束宽都无关，非常适 合于不同光束之间的横向比较，在大型激光装置上普遍采用。值得注意的是衍 射极限倍数和斯特列尔比两个评价参数都和选择的理想光束模型有关，理想光 束模型应该根据实际情况而定。 大多数激光应用都是把激光聚焦到靶面上，所以传统光束质量评价一般只 关心远场。对于高功率激光系统，仅用远场评价参数是不够的，高强度( g w e m 2 ) 下运行，非线性效应使得近场出现很强的调制，昂贵的光学元件一般都处在近 场位置，破坏风险比较大1 2 1 ，这极大限制了装置的负载能力，因此光束近场得 到科研人员的关注。近场评价主要是关心强度分布的均匀性，目前用通量对比 度和调制度两个参数，也有把调制度的倒数称为填充因子作为评价参数的说法。 这两个参数虽然具有形式简单使用方便的特点，但是缺点也是明显的，不能反 映调制来源，演化规律模糊。2 0 0 0 年中国工程物理研究院激光聚变研究中心彭 志涛，景峰等提出用功率谱密度方法评价自聚焦光束，并据此给出了判断自聚 焦程度的b 积分判据【2 2 。这种方法的出发点和理论基础是非线性光学中的小尺 度自聚焦理论，比较适合用于分析近场调制来源，本文第三章对这种方法进行 了发展，并作了进一步的探讨。2 0 0 4 年华南师范大学传输光学实验室易煦农， 胡巍等提出用高阶对比度研究光束的自聚焦，指出高阶对比度在光束自聚焦成 丝前后有显著的变化瞄i 。这种方法是在限定了光束不均匀性是自聚焦引起的前 提下进行的分析，因此不能用于分析判断实测近场数据的调制来源。 相对于近场强度，光束波前位相分布对光束远场强度分布的影响要大的多， 而且位相误差会在传输过程中引起振幅调制( 或近场调制) 1 2 4 1 ，因此位相也成为 光束质量研究的重点。位相误差的评价参数有p v 、r m s 、g i t m s 、p s d 、z 锄i l 【e 多项式等等1 2 5 1 ，g r m s 从几何光学角度考虑和光线方向有关，因此和远场能量 集中度密切相关，z e r n i k e 多项式可以用于分析位相的像差成分，因此工程上比 较常用。 1 3 2 光束质量测量方法研究现状 光束质量的参数测量是进行评价的前提。和远场评价方法相同，光束远场 的测量方法也最多。常用的方法有长焦距透镜法、刀口法、穿孔法、可变光阑 6 四川大学硕t r 学位论文 法。i c f 高功率激光装置远场测量主要有两个难点：其一要求测量的动态范围 大精度高( 动态范围4 个量级以上) ，其二位相畸变的不确定性造成光柬实际远 场位置的不确定，使得动态测量时难以预估离焦量。为了提高测量精度弥补 c c d 动态范围不足，出现t n 阵相机方法和纹影法( 暗场方法) 2 7 瑚2 9 1 ，这 两种方法是在远场把光束中低频分量和高频分量分离开并同时测量，然后利用 重构算法还原出远场，可以解决远场测量的第一个难点。1 9 9 6 年l l n l 在 b e a m l e t 上建立了远场诊断系统m i ，采用长焦透镜聚焦，1 6 b i t 高分辨率c c d 记 录，该系统不断完善，研究成果已用于n i f 的远场诊断p ”。我国神光i i 采用长 焦透镜成像放大测量远场，并研制了激光远场诊断仪 3 2 3 3 1 。b e a m l e t 装置和中 物院激光聚变中心1 r i l 装置都开展了纹影法( 暗场方法) 测量远场的研究，不 同的是b e a m l e t 采用钻有小孔的反射镜在焦平面上分离远场的“主瓣”和“旁 瓣”，我们采用的是在聚焦过程中把一束聚焦光束分成两束，一束光的焦斑用透 镜放大成像后c c d 记录，另一束光的焦斑经商通滤波后用透镜放大成像c c d 记录，然后利用图像处理方法对焦斑进行重构。解决远场测量第二个难点的最 好方法是获取高分辨率的波前分布，根据远场和近场，位相之间的关系计算出 最佳远场位置，这种方法可以实现动态远场测量时对焦移量进行预估，本文第 四章开展了相关研究工作。 相对于远场测量，测量近场的方法比较少，普遍采用像传递系统缩束成像， 把光束近场作为“物”成像到c c d 之上，该原理第三章有相关论述。 波前位相的测量在三者之中最为困难，这是因为近远场测量都属于强度测 量，传统的胶片和目前使用的c c d 都可以响应，但是没有直接响应位相的记 录介质，因此只能把位相误差转换成强度变化，通过复杂的重构算法进行恢复。 哈特曼一夏克( h s ) 波前传感器是目前主要的测量仪器，由于哈特曼传感器和 变形镜有很好的匹配性，因此通常把两者结合使用构成自适应光学( a d a p t i v e o p t i c s ，a o ) 系统进行光束质量控制，中科院成都光电所姜文汉院士等在这方 面的研究在国内处于领先地位。相对于哈特曼传感器，干涉仪可以测量得到商 分辨率的位相分布，但是由于i c f 高功率激光装置输出的是r l $ 甚至p s 量级的 近红外脉冲，这限制了很多干涉方法的使用。1 9 9 8 年美国l u 儿( 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 ) 使用剪切干涉方法详细研究了n i f 原型b e a m l e t 的波莳特性 3 4 1 ，同年英国a w e 实验室使用该方法测量了h e l e n 装置的波前 四川大学硕士学位论文 位相、近场和远场特性，并直接把干涉图的一级频谱作为光束远场f 3 5 】。随后国 内开展了波前重构的相关理论研究1 3 6 3 7 1 。 1 4 本论文的研究意义及主要研究内容 目前，i c f 高功率固体激光装置的近场光束质量评价参数不能有效描述光 束的特征，t i l 装置光束质量诊断系统的自身验证问题急切需要寻找和现有测 量方式非相关的手段进行相互验证，本文主要围绕这两方面开展了研究工作， 各章主要内容如下； 第一章对惯性约束聚变( i c f ) 及其驱动源技术作了简要的概述，阐述了 i c f 对光束质量的要求和光束质量评价与测量方法研究现状，介绍了论文的主 要研究内容和安排。 第二章研究了新一代i c f 固体激光装置的光束模型及其聚焦特性，分析了 光束远场、近场、波前位相三者之间的关系，最后对波前离焦与远场焦移之间 的定量关系进行了推导。 第三章介绍了光束近场的测量方法及其理论依据，分析了近场的空域评价 参数存在的主要问题，建立了空频域近场评价模型，以功率谱密度为描述方法 研究了实测高强度光束近场调制结构特征与其形成原因，并利用数值模拟计算 进行了验证。 第四章分析了可用于综合诊断光束位相、近场和远场的测量方法，针对高 功率固体激光装置输出的是近红外瞬态激光脉冲的特点，研究了基于空间位相 调制的径向剪切干涉法的应用，通过和常规c c d 直接测量结果的对比验证了该 方法的可行性，并分析了影响该方法测量精度的主要因素。 第五章总结本论文的主要工作及成果，并提出了今后需要进一步开展的工 作。 参考文献 【1 】1 于乃彦，聚变能及其未来，清华大学出版社，2 0 0 1 【2 1 彭翰生，张小民，范滇元，朱健强，“高功率固体激光装置的发展与工程科学问题”， 8 册川大学顾士学位论文 中国工程科学。2 0 0 1 ，3 ( 3 ) 【3 】彭翰生，高功率固体激光技术发展的历史机遇，强激光与粒子柬，v 0 1 1 2 2 0 0 0 【4 】4g e o r g eh m i l l e r , t h en a t i o n a li g n i t i o nf a c i l i t y , s p i e ，2 0 0 4 ，v 0 1 5 3 4 1 ：1 。1 2 【5 】5 e d w a r di m o s e s 。n a t i o n a li g n i t i o nf a c i l i t y ：1 s m j ，7 5 0 t wu l t r a v i o l e t s p i e , 2 0 0 4 ， v 0 1 5 3 4 1 ：1 3 2 4 【6 】吕百达，新一代i c f 固体激光驱动器和光束质量研究的进展，激光杂志，1 9 9 9 ，2 0 ( 1 ) ： 1 - - 3 【7 】吕百达，激光光学( 第三版) ，高等教育出版社，2 0 0 3 【8 】蓝信钜等，激光技术( 第二版) ，科学出版社。2 0 0 4 f 9 】j , a r u f f ；a e s i e g m a n , s i n g l e - p u l s el a s e rb e a mq u a l i t ym e a s u r e m e n t su s i n gac c dc a m e r a s y s t e m , a p p l i e do p t i c s 1 9 9 2 。3 1 ( 2 4 ) ：4 9 0 7 , 4 9 0 8 【l o 】杨成龙，光束质量概念谈，激光杂志，1 9 9 6 ，1 7 ( 1 ) ：1 5 【1l 】b m v a nw o n t e r g h e m ，j a c a i r d , c e b a r k e r , r e c e n tr e s u l t so ft h en a t i o n a li g n i t i o n f a c i l i t yb e a m l e td e m o n s t r a t i o np r o j e c t , u c r l - j c 一1 2 0 9 1 7 ，1 9 9 5 1 2 】p j w e g n e r , c e b a r k e r , j a c a i r d , t h i r e d - h a r m o n i cp e r f o r m a n c eo f t h eb e a m l e tp r o t o t y p e l a s e r , s p i e ，1 9 9 6 ，v 0 1 3 0 4 7 ：3 7 0 - 3 8 0 f 1 3 】j e r o t h e n b e r g j m a u e r b a c h ，s n d i x i t , f o c a ls p o tc o n d i t i o n i n gf o ri n d i r e c td r i v e0 1 1t h e n i f ，s p i e ，1 9 9 8 ，v 0 1 3 4 9 2 ：6 5 7 7 【1 4 】神光i i i 主机装置总体技术方案( 修改版) 中国工程物理研究院激光聚变研究中心。 2 0 0 4 一1 0 【1 5 】陈家斌，郑志坚，唐道远等，提高腔靶激光能量注入的新途径，强激光与粒子束，1 9 9 8 ， l o ( 2 ) ：2 3 9 2 4 2 【1 6 】艮a z a c h a r i a s ，n r b e e r , e s b l i s s ，e ta 1 a l i g n m e n ta n dw a v e f r o n tc o n t r o ls y s t e m so f t h en a t i o n a li g n i t i o nf a c i l i t y ，o p t e n g ，2 0 0 4 ，4 3 ( 1 2 ) ：2 8 7 3 2 8 8 4 【1 7 】吕百达，季小玲，罗时荣等，激光的参数描述和光束质量，红外与激光工程，2 0 0 4 3 3 ( 1 ) ：1 4 1 7 【1 8 】高卫，王云萍，李斌，强激光光束质量评价和测量方法研究，红外与激光工程 2 0 0 3 ，3 2 ( 1 ) ：6 1 珥 【1 9 刘天华，姜宗福，刘泽金，王云萍，商能激光器气动窗1 2 1 光束质量的评价方法探讨， 强激光与粒子束，2 0 0 2 ，1 4 ( 2 ) ：1 9 3 1 9 6 9 一 塑! ! ! 奎堂堡! 兰竺堕兰 p 0 】w k o e e h n e r ( 孙文，江泽文。程国祥译) ，同体激光工程，科学出版社，2 0 0 3 【2 l 】王遁，三阶非线性效应对i c f 驱动器中光束均匀性的影响。四川大学硕士学位论文， 2 0 0 3 2 2 】彭志涛，景峰，刘兰琴，等，自聚焦激光束光束质量评价的功率谱密度方法， 物理学报。2 0 0 3 ，5 2 ( 1 ) ：8 7 - , 9 0 【2 3 】易煦农，胡巍，罗海陆，用高阶对比度研究光束的小尺度自聚焦，物理学报2 0 0 5 ， 5 4 ( 2 ) ：7 4 9 7 5 4 【2 4 1w h w i l l i a m s ，j m a u e r b o c h ，m a h e n e s i a n ，m o d e l i n gc h a r a c t e r i z a t i o no f t h en a t i o n a l i g n i t i o nf a e i l i t yf o c a ls p o t , u c r l - j c 一1 2 7 9 0 7 ，1 9 9 8 【2 5 】胡东霞，高功率固体激光系统波前校正技术优化研究，中国工程物理研究院硕士学位 论文，2 0 0 3 p 6 】j k l a w s o n 。p a r e n a r d , m a h e n e s i a n ，f o c a ls p o tc h a r a c t e d z a t i o n , s p i e ，1 9 9 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，i c s m i t h ，ac o m b i n e dp h a s en e a rf i e l da n df a rf i e l dd i a g n o s t i cf o rl a r g e a p e r t u r el a s e rs y s t e m - s p i e ，1 9 9 9 ，v 0 1 3 4 9 2 ：5 6 4 5 7 2 ， 1 0 硼川大学硕卜学位论文 【3 6 】y a n gyy l uyb ，z h n oym aw a v e f r o n ts e n s i n gt e c h n i q u ew i t har a d i a ls h e a r i n g i n t e r f e r o m e t r ya p p l i e d t o a d a p t i v eo p t i c s y s t e m s p i e ，2 0 0 2 。v 0 1 4 9 2 6 ：1 3 2 一1 3 9 【3 7 】李丈海t 赵晓风，陈怀新，等基于循环式径向剪切干涉法的波前重建算法研究 强激光与粒子束，2 0 0 2 ，1 4 ( 2 ) ：2 2 3 2 2 7 阴川大学硕上学位论文 第二章新一代i c f 高功率固体激光装置的光束模型 光束模型的选取是光束质量评价的前提，针对不同的参考光束模型，相同 的光束质量评价参数会给出不同的数值，因此本章首先确定下文光束质量评价 针对的光束模型。基模高斯光束是s i e g m a n 提出的因子评价方法选取的理 想光束模型，对于i c f 领域，基模高斯光束并不是追