（光学工程专业论文）激光多程放大系统杂散光分析.pdf

塑坚盔兰堕主兰垡堡苎 一 a b s t r a c t a f t e r s i g n i _ n gc o m p r e h e n s i v e n u c l e a r t e s t b a n t r e a t y ( c t b t ) ，l a s e r f u s i o n ，a st h eb e s tt e c h n o l o g i c a lw a yo fc o n t r o l l e df u s i o n ，g o tt h eb i g c o u n t r i e s g r e a ta t t e n t i o n t h em u l t i p a s sa m p l i f i c a t i o no fl a s e r i s w i d e l yu s e di nh i g hp o w e rl a s e rs y s t e ma s t h ed r i v e ro fn u c l e a rf u s i o n ， f o ri tc a ni m p r o v es y s t e me f f i c i e n e ye f f e c t i r e l ya n dr e d u c em a n u f a c t u r i n g c o s t s t r a yl i g h tg e n e r a t e di nm u l t i p a s sa m p l i f i e a t i o nf o r m sal o to f g h o s ti m a g e s ，w h i c hn o to n l ys e r i o u s l yi n f l u e n c et h el a s e rb e a mq u a l i t y a n dp r o p a g a t i o np r o p e r t i e s ，b u ta l s od a m a g et h eo p t i c a lc o m p o n e n t t a k i n gs t r a yl i g h ti n “s h e n g u a n gh i ”a st h es t u d ys u b j e c ta n db a s i n g o nt h eb a s i cp r i n c i p l eo fg e o m e t r i c a lo p t i c s ，a p p l y i n gt h et e c h n o l o g i c a l p a t ho fp a r a x i a lr a ya n dr e a lr a yt r a c i n g ，an e wa n a l y t i cw a ya n dd a t a s t r u c t u r e ，w h i c h s u i t sf o r t h es p e c i f i cr e q u i r e m e n ti na n a l y s i sa n d p r o c e s so fg h o s ti m a g e s ，i sp r e s e n t e d w i t ht h es a m p l eo ft h eb e a mi nh i g h p o w e rm u l t i p a s sa m p i i f i c a t i o n ，t h et h r e e d i m e n s i o n a lm a t h e m a t i cm o d e l h a db e e ns e tu pa n dt h ec a l c u l a t i o nm e t h o dw h i c hf u n c t i o n sw e l li ns o l v i n g t h e s em a t h e m a t i cm o d e li sg o t ，t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o no ft h eo p t i c a lp a t h i sa l s or e a l i z e d t h ea n a l y t i c a l s o f t w a r e c a nc o m p r e h e n s i v e l yd e t e c t t h e s eg h o s ti m a g e sg e n e r a t e db yg h o s tr e f l e c t i o n sa n ds i m u l a t et h ee n e r g y a t t e n u a t i o np r o c e s so fg h o s tb e a m t h ep o s i t i o no fg h o s ti m a g ec a nb e p i c k e do u t ，t h ep o t e n t i a lh a z a r do fg h o s ti m a g e st ok e ye l e m e n t sc a nb e v e r i f i e d ，a n dt h e i r r a d i a n e ea t g h o s ti m a g ea n dk e ye l e m e n t s c a nb e d e s c r i b e d t h es o f t w a r em e e tt h en e e do fa n a l y s isa n dc a l c u l a ti o no fg h o s ti m a g e s i nm u l t 卜p a s sa m p l i f i c a t i o n ，i t sa n a l y t i cr e s u l td i r e c ta p p l yt h eo p t i c a l d e s i g no fl a s e rm u l t i p a s sa m p l i f i c a t i o n i tc a nr e d u c et h et i m ea n dc o s t o fo p t i c a ld e s i g na n dh a v ea c t u a ls i g n i f i c a n c e k e y w o r d ：s t r a y1 i g h t ，g h o s ti m a g e s ，m u l t i p a s sa m p l i f i c a t i o n r a y t r a c i n g ，g e o m e t r i c a lo p t i c s i l l 塑垩查兰堡主兰垡堡苎一 致谢 p 乃 常常读到旁人的致谢，那些熟识或者陌生的，却总以为仅仅是 种形式而已，直到我也急急地想在自己的论文扉页上记下自己的导 师、家人、朋友的名字，表达我的感激时，才知道如我一般，所有的 敬意与感谢是那么真实而朴素。 我衷心地感谢我的导师岑兆丰、李晓彤副教授，感谢他们近三年 来对我的关心与帮助，他们耐心而毫无保留地向我授业解惑，众多独 到的见解和观点使我受益非浅。在我并不漫长的研究生生涯中，导师 们严谨的治学态度，使我体会了科研的意义与价值。而生活中，他们 于我的意义在导师之外，更是朋友。我们谈理想、谈将来、谈生活， 他们倾听我的烦恼，给我许多好的建议，我从未在言语上向我的导师 表达感谢，却一直将这份感激铭记在心，真的很感谢他们。 在此论文完成之际，我还要感谢余飞鸿、林逸群老师，他们不仅 解答了我很多的问题，而且给了我诸多的指导意见，甚至那些言语间 忽闪而过的灵光与火花，都给了我极大的启发。 感谢我同一实验室的同学们，这个温暖而智慧的集体让我再次体 会了“同窗”的意义；感谢中国工程物理研究院的朱启华，张清泉， 刘红婕等，他们为我提供了许多帮助，这篇论文的完成，也离不开他 们的支持。 我原本要把这篇论文献给我的父母，却惭愧于它的苍白和无力， 他们对我的养育之恩又岂是寥寥数言所能穷尽。我很感激他们对我学 业的支持，让我有机会能够实现自己的理想，让我有勇气在未知的人 生路上不断探索。 感谢我所有的亲人和朋友。 二o o 三年二月 浙江大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 为了在2 l 世纪能够为人类提供清洁、经济、用之不竭的聚变能源，同时也 为了在核禁试条件下保持强有力的核防御系统，保持适当的核打击力量，各大国 核物理学家们一直在致力于实现受控核聚变。激光核聚变作为受控核聚变的最佳 技术途径，得到各核大国的高度重视，从而促使高功率激光技术走上辉煌的发展 的历程。 1 1 1 “理想的能源”聚变能 根据爱因斯坦的质能关系原理，就同等质量而言，原子核结合能比化学反应 中释放出的化学能要大百万倍。释放原子核结合能有两种方法，一是将重的原子 核打破，使之分裂成较轻的核，通常称为“核裂变”；另一种方法是将轻的原子 核结合在一起，使之形成较重的原子核，通常称为“核聚变”。核裂变与核聚变 都能释放出大量核能。 随着技术的发展，核裂变能的利用技术己日臻完善，而且在许多先进国家的 能源结构中占有相当的比例。但是，核裂变反应堆中存在的放射性物质以及产生 的放射性废物，如果处理不当，将造成重大的安全事故和环境灾难。因此，人类 对更强大、更干净的聚交能寄予了殷切的期望。 从反应过程分析，就单位质量而言，聚变释能要比裂变释能大3 4 倍。如 人们最为关注的氘一氚( d t ) 反应 l d 2 + 1 t 3 = 2 h e 4 + o ，1 1 + 1 7 6 m e v ( 1 1 ) 聚变能是取之不尽的能源，这是因为聚变反应的使用的燃料是包含在普通水 中的氘，氘是地球上的富有资源，足够使用数十亿年；聚变能同时也是干净、安 全的能源，因为聚变反应堆中只含有少量的聚变燃料，燃料氚虽是放射性的，但 在自然界中几乎不存在，毒性低，即使泄漏也不会造成很大危害：聚变反应需高 温高压来维持，当系统一旦失灵时，反应条件就不能维持，反应将会自动停止； 浙江大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 为了在2 l 世纪能够为人类提供清洁、经济、用之不竭的聚变能源，同时也 为了在核禁试条件下保持强有力的核防御系统，保持适当的核打击力量，各大国 核物理学家们一直在致力于实现受控核聚变。激光核聚变作为受控核聚变的最佳 技术途径，得到各核大国的高度重视，从而促使高功率激光技术走上辉煌的发展 的历程。 1 1 1 “理想的能源”聚变能 根据爱因斯坦的质能关系原理，就同等质量而言，原子核结合能比化学反应 中释放出的化学能要大百万倍。释放原子核结合能有两种方法，一是将重的原子 核打破，使之分裂成较轻的核，通常称为“核裂变”；另一种方法是将轻的原子 核结合在一起，使之形成较重的原子核，通常称为“核聚变”。核裂变与核聚变 都能释放出大量核能。 随着技术的发展，核裂变能的利用技术己日臻完善，而且在许多先进国家的 能源结构中占有相当的比例。但是，核裂变反应堆中存在的放射性物质以及产生 的放射性废物，如果处理不当，将造成重大的安全事故和环境灾难。因此，人类 对更强大、更干净的聚交能寄予了殷切的期望。 从反应过程分析，就单位质量而言，聚变释能要比裂变释能大3 4 倍。如 人们最为关注的氘一氚( d t ) 反应 l d 2 + 1 t 3 = 2 h e 4 + o ，1 1 + 1 7 6 m e v ( 1 1 ) 聚变能是取之不尽的能源，这是因为聚变反应的使用的燃料是包含在普通水 中的氘，氘是地球上的富有资源，足够使用数十亿年；聚变能同时也是干净、安 全的能源，因为聚变反应堆中只含有少量的聚变燃料，燃料氚虽是放射性的，但 在自然界中几乎不存在，毒性低，即使泄漏也不会造成很大危害：聚变反应需高 温高压来维持，当系统一旦失灵时，反应条件就不能维持，反应将会自动停止； 塑坚查堂堡主堂垡鲨墨 正是因为聚变反应很少产生放射性废物，对环境危害又小。因此，聚变能也被人 们称为“理想的能源”。 随着工业的不断发展，石油和煤炭等矿物燃料资源日渐枯竭，人类对新型替 代能源的需求正变得日益迫切。通过激光受控核聚变，人类利用激光控制核聚 变反应，实现受控核聚变，使核聚变按照人类的需要释放出巨大的能量，获得可 控的核聚变能源，从而使人类彻底摆脱能源短缺的困扰。 1 1 2 亟待解决的难题一一受控核聚变 聚变反应的条件十分的苛刻，因而受控聚变迟迟不能得以实现。聚变反应是 由两个带电的轻原子核彼此接近到核力作用的范围并结合到一起形成较重的原 子核，由于原子核都带有正电荷，它们在结合之前必须克服彼此之间的静电，即 为库仑位垒，这就要求两个粒子必须具有很高的动能。科学实验表明，在一个系 统中，温度越高，其中粒子的热运动速度越大。因此，只要系统的温度足够高， 其中的粒子热运动的速度就足够大，它们在碰撞时就会有足够的动能克服库仑位 垒而达到发生聚变的范围。理论研究认为，反应温度要求最低的d t 反应( 其库 仑位垒为0 4 m e y ) 也需要将燃料加热到几千万度至上亿度的高温。因此，聚变 反应目前仅仅在不可控制的氢弹爆炸中得到了得现。如何实现受控核聚变，是众 多核物理学家们一直致力解决的问题。 聚变反应点火后，要想使它顺利地“燃烧”下去，就必须有两个条件：一是 核燃料一定要达到规定的温度，二是要将该密度维持到足够的时间。若满足不了 一定的密度，即使反应点燃了也可能“灭火”，而密度维持时间太短则反应也维 持不下去。经研究表明，可以通过热核等离子体方式来实现受控核聚变，也就是 将燃料加热到高温，使之变成高温等离子体，这样粒子热运动的速度增大，从而 获得足够的动能克服库仑位垒而达到发生聚变的条件。将氘氚靶丸加热到高温， 实现d - t 反应，使其释放出的能量足以维持自持的聚变反应的条件，即达到点火 的条件称为l a w s o n 判据，即 一f 23 9 x 1 0 1 4 ( j c 聊一3 ) ，( 1 2 ) 式中行为d t 粒子数密度( 每硎。内的粒子数) ，f 为聚变反应的约束时间。上 塑坚查堂堡主堂垡鲨墨 正是因为聚变反应很少产生放射性废物，对环境危害又小。因此，聚变能也被人 们称为“理想的能源”。 随着工业的不断发展，石油和煤炭等矿物燃料资源日渐枯竭，人类对新型替 代能源的需求正变得日益迫切。通过激光受控核聚变，人类利用激光控制核聚 变反应，实现受控核聚变，使核聚变按照人类的需要释放出巨大的能量，获得可 控的核聚变能源，从而使人类彻底摆脱能源短缺的困扰。 1 1 2 亟待解决的难题一一受控核聚变 聚变反应的条件十分的苛刻，因而受控聚变迟迟不能得以实现。聚变反应是 由两个带电的轻原子核彼此接近到核力作用的范围并结合到一起形成较重的原 子核，由于原子核都带有正电荷，它们在结合之前必须克服彼此之间的静电，即 为库仑位垒，这就要求两个粒子必须具有很高的动能。科学实验表明，在一个系 统中，温度越高，其中粒子的热运动速度越大。因此，只要系统的温度足够高， 其中的粒子热运动的速度就足够大，它们在碰撞时就会有足够的动能克服库仑位 垒而达到发生聚变的范围。理论研究认为，反应温度要求最低的d t 反应( 其库 仑位垒为0 4 m e y ) 也需要将燃料加热到几千万度至上亿度的高温。因此，聚变 反应目前仅仅在不可控制的氢弹爆炸中得到了得现。如何实现受控核聚变，是众 多核物理学家们一直致力解决的问题。 聚变反应点火后，要想使它顺利地“燃烧”下去，就必须有两个条件：一是 核燃料一定要达到规定的温度，二是要将该密度维持到足够的时间。若满足不了 一定的密度，即使反应点燃了也可能“灭火”，而密度维持时间太短则反应也维 持不下去。经研究表明，可以通过热核等离子体方式来实现受控核聚变，也就是 将燃料加热到高温，使之变成高温等离子体，这样粒子热运动的速度增大，从而 获得足够的动能克服库仑位垒而达到发生聚变的条件。将氘氚靶丸加热到高温， 实现d - t 反应，使其释放出的能量足以维持自持的聚变反应的条件，即达到点火 的条件称为l a w s o n 判据，即 一f 23 9 x 1 0 1 4 ( j c 聊一3 ) ，( 1 2 ) 式中行为d t 粒子数密度( 每硎。内的粒子数) ，f 为聚变反应的约束时间。上 浙江大学硕士学位论文 式表明，聚变释能并不独立地依赖于n 或f ，而是依赖于两者的乘积a 从式中可 看出增大粒子束密度、延长反应约束时间，将有利于实现聚变点火。到目前为止， 受控聚变主要采用两种方案，是采用不同的方式来达到l a w s o n 判据的。一是托 卡马克设计的一种环形腔，能使氘、氚经高温而变成等离子体，绕着磁力线在环 形腔内转圈子，即所谓的“磁约束方法”。二就是“惯性约束方法”也叫惯性约 束聚变。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 ，一般也简称为i c f ) 的基本概念是利用激光或离子柬驱动器提供的能量辐照氘氚靶丸，通过聚心内爆 将聚变燃料压缩聚焦到高密度，并使之在短于惯性约束时间( 即靶丸解体时间) 内完成聚变反应。 为实现惯性约束聚变，科学家们在数十年中探索过不同的驱动源技术，包括 利用脉冲功率技术产生相对论电子柬、轻离子柬和z - p i n c h ，利用射频直线加速 器和直线感应加速器产生重离子束，以及多种的激光技术，如二氧化碳、氟化氢、 原予碘、氟化氪准分子等激光技术。高功率固体激光技术由于与聚变靶物理有较 好的匹配性和持续稳定的技术发展做支撑，在激烈的竞争中脱颖而出，成为受控 核聚变的最佳技术途径。 1 1 3 受控核聚变的最佳技术途径一一激光核聚变 激光核聚变，就是利用大型激光装置作为驱动器，利用高功率的激光束去急 剧加热和压缩包含核燃料( 氘和氚) 的球形靶丸外层，通过烧蚀外层并急剧挤压， 使内层朝靶心加速，当靶丸材料向中心推进时，靶丸材料将变得甚密( 几乎比液 体氢密度高出一千倍) 和甚热( 通常几千万度) 。如果上述步骤都能顺利进行，那 么材料就会变得很热，达到点火温度与密度，靶心开始聚变( “火花塞”) ，从而 在靶丸可能炸裂( 即惯性约束时间) 以前使周围其余燃料点燃和燃烧。筒单地说， 激光核聚变就是利用激光照射核燃料使之发生核聚变反应。它是模拟核爆炸物理 效应的有力手段。 就目前的来讲，惯性约束聚变研究是以军事应用为近期目标，能源应用为远 期目标，因此目前的明确的技术目标是在实验室内产生小型核爆炸，这些爆炸可 能的军事应用包括模拟核武器的库存安全性、研究对核武器重要的基础原子物理 浙江大学硕士学位论文 式表明，聚变释能并不独立地依赖于n 或f ，而是依赖于两者的乘积a 从式中可 看出增大粒子束密度、延长反应约束时间，将有利于实现聚变点火。到目前为止， 受控聚变主要采用两种方案，是采用不同的方式来达到l a w s o n 判据的。一是托 卡马克设计的一种环形腔，能使氘、氚经高温而变成等离子体，绕着磁力线在环 形腔内转圈子，即所谓的“磁约束方法”。二就是“惯性约束方法”也叫惯性约 束聚变。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 ，一般也简称为i c f ) 的基本概念是利用激光或离子柬驱动器提供的能量辐照氘氚靶丸，通过聚心内爆 将聚变燃料压缩聚焦到高密度，并使之在短于惯性约束时间( 即靶丸解体时间) 内完成聚变反应。 为实现惯性约束聚变，科学家们在数十年中探索过不同的驱动源技术，包括 利用脉冲功率技术产生相对论电子柬、轻离子柬和z - p i n c h ，利用射频直线加速 器和直线感应加速器产生重离子束，以及多种的激光技术，如二氧化碳、氟化氢、 原予碘、氟化氪准分子等激光技术。高功率固体激光技术由于与聚变靶物理有较 好的匹配性和持续稳定的技术发展做支撑，在激烈的竞争中脱颖而出，成为受控 核聚变的最佳技术途径。 1 1 3 受控核聚变的最佳技术途径一一激光核聚变 激光核聚变，就是利用大型激光装置作为驱动器，利用高功率的激光束去急 剧加热和压缩包含核燃料( 氘和氚) 的球形靶丸外层，通过烧蚀外层并急剧挤压， 使内层朝靶心加速，当靶丸材料向中心推进时，靶丸材料将变得甚密( 几乎比液 体氢密度高出一千倍) 和甚热( 通常几千万度) 。如果上述步骤都能顺利进行，那 么材料就会变得很热，达到点火温度与密度，靶心开始聚变( “火花塞”) ，从而 在靶丸可能炸裂( 即惯性约束时间) 以前使周围其余燃料点燃和燃烧。筒单地说， 激光核聚变就是利用激光照射核燃料使之发生核聚变反应。它是模拟核爆炸物理 效应的有力手段。 就目前的来讲，惯性约束聚变研究是以军事应用为近期目标，能源应用为远 期目标，因此目前的明确的技术目标是在实验室内产生小型核爆炸，这些爆炸可 能的军事应用包括模拟核武器的库存安全性、研究对核武器重要的基础原子物理 浙江大学硕士学位论文 学和流体动力学、发展研究全尺寸试验用的仪表和技术及探索先进的武器概念 等。 c f 驱动源技术在过去3 0 多年里经历了多种驱动实现途径的竞争和选择。 利用激光作为惯性约束聚变的驱动器是被首先提出来的，但激光被确定作为核聚 变的最佳驱动装置却是由于激光本身的特性而在竞争中奠定的。6 0 年代中期脉 冲功率技术问世以来从未停止对核聚变驱动装置的探索，先后研究过相对论电子 束和轻离子束途径，由于电子束预热靶燃料和轻离子束难以聚焦等物理和技术问 题无法解决，在9 0 年代后期回到z p i n c h 途径。z p i n c h 靶物理实验有了相 当大进展，显示了发展潜力，但要走的路还很长。同时，重离子束聚变驱动源技 术也在低支持强度下研究。激光的能量可在时间和空间上进行高度的集中，因此 能在焦点上得到非常高的功率密度；此外，激光核聚变还具有可多次重复、便于 测试、节省费用等优点，因而在世界范围内成为最受青睐的驱动源技术，得到各 核大国的高度重视，从而得到长足发展“。 1 1 4 激光核聚变的历史性机遇一一核禁试条约的签订 历史证明，所有推进科学研究的重要机遇都是重要的外部事件通常是全 球性事件的结果。同样，聚变研究所取得的科学进步和成就本身还不足以对聚变 能源的探索创造一个重要的和持续发展的支持。聚变项目在本质上受重要的外部 事件的影响非常大，这些事件是项目本身完全无法控制的。 1996 年9 月10 日，联合国大会以158 票赞成、3 票反对、5 票弃权 的压倒多数票通过一项禁止所有核试验爆炸的全球条约全面禁止核试验条 约，并于1 996 年9 月24 日，在第51 届联大上开放供所有国家签署。 全面核禁试条约签订后，如何保证核储备生存的工作就有了新的，不同的内 容，在此之前，核试验是发展、改进核武器必不可少的手段，也是保持库存核武 器可靠性、维护核武器威慑力所不可少的方式。现在为了在不进行最终总体核试 验的前提下保证核储备可继续生存性，核武器界必须另辟研究途径，开始调研切 实可行的新的技术方案，使核储备能够继续，证实其能够生存下去，并能够解决 遗留下来的各种技术问题。 激光核聚变在军事上的重要用途之一是发展新型核武器，特别是研制新型氢 浙江大学硕士学位论文 学和流体动力学、发展研究全尺寸试验用的仪表和技术及探索先进的武器概念 等。 c f 驱动源技术在过去3 0 多年里经历了多种驱动实现途径的竞争和选择。 利用激光作为惯性约束聚变的驱动器是被首先提出来的，但激光被确定作为核聚 变的最佳驱动装置却是由于激光本身的特性而在竞争中奠定的。6 0 年代中期脉 冲功率技术问世以来从未停止对核聚变驱动装置的探索，先后研究过相对论电子 束和轻离子束途径，由于电子束预热靶燃料和轻离子束难以聚焦等物理和技术问 题无法解决，在9 0 年代后期回到z p i n c h 途径。z p i n c h 靶物理实验有了相 当大进展，显示了发展潜力，但要走的路还很长。同时，重离子束聚变驱动源技 术也在低支持强度下研究。激光的能量可在时间和空间上进行高度的集中，因此 能在焦点上得到非常高的功率密度；此外，激光核聚变还具有可多次重复、便于 测试、节省费用等优点，因而在世界范围内成为最受青睐的驱动源技术，得到各 核大国的高度重视，从而得到长足发展“。 1 1 4 激光核聚变的历史性机遇一一核禁试条约的签订 历史证明，所有推进科学研究的重要机遇都是重要的外部事件通常是全 球性事件的结果。同样，聚变研究所取得的科学进步和成就本身还不足以对聚变 能源的探索创造一个重要的和持续发展的支持。聚变项目在本质上受重要的外部 事件的影响非常大，这些事件是项目本身完全无法控制的。 1996 年9 月10 日，联合国大会以158 票赞成、3 票反对、5 票弃权 的压倒多数票通过一项禁止所有核试验爆炸的全球条约全面禁止核试验条 约，并于1 996 年9 月24 日，在第51 届联大上开放供所有国家签署。 全面核禁试条约签订后，如何保证核储备生存的工作就有了新的，不同的内 容，在此之前，核试验是发展、改进核武器必不可少的手段，也是保持库存核武 器可靠性、维护核武器威慑力所不可少的方式。现在为了在不进行最终总体核试 验的前提下保证核储备可继续生存性，核武器界必须另辟研究途径，开始调研切 实可行的新的技术方案，使核储备能够继续，证实其能够生存下去，并能够解决 遗留下来的各种技术问题。 激光核聚变在军事上的重要用途之一是发展新型核武器，特别是研制新型氢 浙江大学硕士学位论文 弹。因为通过高能激光代替原子弹作为氢弹点火装置实现的核聚变反应，可以产 生与氢弹爆炸同样的等离子体条件，为核武器设计提供物理数据、检验有关计算 程序，进而制造出新型核武器，成为战争新的“杀手”。采用激光作为点火源后， 高能激光直接促使氘氚发生热核聚变反应。这样，氢弹爆炸后，就不产生放射性 裂变产物，所以，人们称利用激光核聚变方法制造的氢弹为“干净的氢弹”。传 统的氢弹属于第二代核武器，而“干净的氢弹”则属于第四代核武器，它的发展 不受全面禁止核试验条约的限制。由于不会产生剩余核辐射，因此，它可以 作为“常规武器”使用。一旦激光核聚变技术成熟，制造干净氢弹的成本将是 比较低的。这是因为不仅核聚变的燃料氘几乎取之不尽，而且，激光核聚变还能 使热核聚变反应变得更加容易。通过激光核聚变，可以在实验室内模拟核武器爆 炸的物理过程及爆炸效应，模拟核武器的辐射物理、内爆动力学等，为研究核武 器物理规律提供依据，这样就可以在不进行核试验的条件下，继续拥有安全可靠 的核武器，改造现有核弹头，并保持核武器的研究和发展能力。因此，我们认为， 全面核禁试条约的签订，大大地推进了激光核聚变的研究进程。 总之，在军事、能源和前沿科学多种需求牵引下，激光核聚变技术正处于重 大突破的前夜，材料来源无限而又安全的核聚变能源将成为2 1 世纪新型核武器， 新型能源解决方案的核心，激光技术在这方面将起关键的重大作用。这就使高功 率固体激光技术走上了辉煌的发展历程。 浙江大学硕士学位论文 _ _ _ - - _ 一。 1 2 问题的提出 在军事、能源和前沿科学多种需求牵引下，高功率固体激光技术发展迎来了 前所未有的历史机遇。世界各大国高度重视并大力开展高功率激光器的研制，迎 来了高功率固体激光技术发展高潮，并取得了一系列重大成果。激光多程放大系 统由于能够有效地提高系统效率、降低系统造价，被广泛地运用于高功率激光系 统中。但是，高功率多程放大激光装置结构复杂，光学表面多，产生的杂散光极 易在系统内形成多个鬼像，严重影响光束质量和传输特性，并可能对系统中关键 元件造成损伤。因此，鬼像分析就成为了高功率激光器设计中的重要问题，同时 也是长期困扰设计人员的一个难点。 1 2 1 高功率固体激光装置的辉煌发展 激光问世后不久，科学家们便萌发了利用强激光产生核聚变的念头。1 9 6 3 年，列别捷夫物理所( l p i ) n g b a s o v 和0 n k r o k h i n 首先发表了激光核聚 变概念，从而在国际上引发了早期的激光聚变热。1 9 6 4 年，当时在中国工程物 理研究院工作的王淦昌教授提出利用高功率激光束打靶产生中子的建议，倡导和 推进这一新兴科学领域的研究。2 0 世纪6 0 年代的等离子体物理和激光技术的发 展使激光聚变成为一个独立的新兴科学领域，然而，直到7 0 年代初，在激光聚 变物理概念上才出现了重大突破。1 9 7 2 年，e t e u e r 和他在美国利佛莫尔实验 室( l l n l ) 的同事人h n u c k o l l s 等人的利用强激光束对装有氢同位素热核材料的 微球靶进行内爆压缩从而实现有效热核燃烧的概念公之于世，从理论上证明利用 这一概念实现核聚变所需激光驱动能量可以降低数个量级。理论上的突破推进了 实验研究，从而拉开了研制高功率激光器的序幕，迎来了高功率固体激光技术发 展的高潮。 在数种驱动技术途径探索和比较中，激光技术脱颖而出。俄、美、日、法、 中、英等国相继建造了多台激光装置，输出能量从百焦耳级到数万焦耳。最具代 表性的是1 9 8 3 年日本大阪大学激光工程所建成的g e k k ox i i 装置( 1 5 k j ) 、1 9 8 4 年美国利弗莫尔国家实验室建成的n o v a 装置( 4 5 k j ) 和1 9 9 5 年美国罗彻斯特大学 激光能实验室建成的o m e g a 装置( 4 0 k j ) 。我国在1 9 6 4 年就开始的激光核聚变的 6 浙江大学硕士学位论文 _ _ _ - - _ 一。 1 2 问题的提出 在军事、能源和前沿科学多种需求牵引下，高功率固体激光技术发展迎来了 前所未有的历史机遇。世界各大国高度重视并大力开展高功率激光器的研制，迎 来了高功率固体激光技术发展高潮，并取得了一系列重大成果。激光多程放大系 统由于能够有效地提高系统效率、降低系统造价，被广泛地运用于高功率激光系 统中。但是，高功率多程放大激光装置结构复杂，光学表面多，产生的杂散光极 易在系统内形成多个鬼像，严重影响光束质量和传输特性，并可能对系统中关键 元件造成损伤。因此，鬼像分析就成为了高功率激光器设计中的重要问题，同时 也是长期困扰设计人员的一个难点。 1 2 1 高功率固体激光装置的辉煌发展 激光问世后不久，科学家们便萌发了利用强激光产生核聚变的念头。1 9 6 3 年，列别捷夫物理所( l p i ) n g b a s o v 和0 n k r o k h i n 首先发表了激光核聚 变概念，从而在国际上引发了早期的激光聚变热。1 9 6 4 年，当时在中国工程物 理研究院工作的王淦昌教授提出利用高功率激光束打靶产生中子的建议，倡导和 推进这一新兴科学领域的研究。2 0 世纪6 0 年代的等离子体物理和激光技术的发 展使激光聚变成为一个独立的新兴科学领域，然而，直到7 0 年代初，在激光聚 变物理概念上才出现了重大突破。1 9 7 2 年，e t e u e r 和他在美国利佛莫尔实验 室( l l n l ) 的同事人h n u c k o l l s 等人的利用强激光束对装有氢同位素热核材料的 微球靶进行内爆压缩从而实现有效热核燃烧的概念公之于世，从理论上证明利用 这一概念实现核聚变所需激光驱动能量可以降低数个量级。理论上的突破推进了 实验研究，从而拉开了研制高功率激光器的序幕，迎来了高功率固体激光技术发 展的高潮。 在数种驱动技术途径探索和比较中，激光技术脱颖而出。俄、美、日、法、 中、英等国相继建造了多台激光装置，输出能量从百焦耳级到数万焦耳。最具代 表性的是1 9 8 3 年日本大阪大学激光工程所建成的g e k k ox i i 装置( 1 5 k j ) 、1 9 8 4 年美国利弗莫尔国家实验室建成的n o v a 装置( 4 5 k j ) 和1 9 9 5 年美国罗彻斯特大学 激光能实验室建成的o m e g a 装置( 4 0 k j ) 。我国在1 9 6 4 年就开始的激光核聚变的 6 浙江大学硕士学位论义 研究工作，在中国工程物理研究院和中科院及其所属的上海光机所共同努力下， 1 9 8 3 年建成了星光一i 装置，1 9 8 4 年建成了神光一i 装置。前者于1 9 9 5 年升级 成星光一i i ( 3 0 0 7 ) ，后者于2 0 0 0 年升级成神光一i i ( 6 k j ) 。 进入九十年代中期，随着全面核禁试条约签署，核大国将核武器物理研究方 式转向以实验室实验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 创造高温和高压物态条件的最佳技术途径，得到各大国的高度重视。因而，美国 率先启动了建造1 8 m j 国家点火装置n i f ( n a t i o n a li g n i t i o nf a c i l i t y ) 的计划， 并希望在2 0 1 0 年左右实现热核聚变点火。法国随即实施建造同样规模的兆焦激 光器l m j 计划。俄罗斯在数十年发展碘激光技术之后，也转而发展固体激光技术， 筹划建造3 0 0 k j 的i s k r a 一6 激光器。我国则在努力发展关键技术的同时，适时启 动了神光一i i i 建造项目，建造神光一i i i 激光装置，高功率固体激光技术发展 步入新的历史时期“。 _ 1 2 2 激光多程放大系统 初期的激光系统均采用放大器尺寸逐级扩大方法，结果导致装置结构十分复 杂。高功率激光系统如再采用逐级扩大办法，那么整个装置将会十分庞大，效率 十分低，而造价十分高，且调整维护也十分复杂。为此将多程放大思想引入到高 功率激光器的主放大器中，并采用组件形式，从而提高了效率，降低了造价。但 是多程放大系统由于光脉冲经多次放大，其光束的线性位相差和非线性位相差都 会累积，结果造成光学输出质量下降，另外，还有子脉冲如何输入及放大脉冲输 出等相关问题。为了解决这些问题，因而大多在系统中采用大型普克尔斯盒开关 及空间滤波器等技术。 如前所述，高功率多程放大系统结构一般都复杂，光学表面较多。图卜l 所 示为美国b e a m l e t 设计的主放大系统。“，腔内放一组四程放大器，助推放大器放 于腔外，腔内插入像传递空间滤波器，大口径开关和偏振片，助推放大器输出的 激光再经传输空间滤波器进入倍频器和靶场系统。 我国正在努力建立的高功率激光装置“神光一”是为了满足激光惯性约束 核聚变的需要而建造的一套大型激光装置，它是四程放大的。如图1 - 2 所示为我 国在建高功率激光器“神光一”原型装置光路设计方案示意图，光束从注入子 浙江大学硕士学位论义 研究工作，在中国工程物理研究院和中科院及其所属的上海光机所共同努力下， 1 9 8 3 年建成了星光一i 装置，1 9 8 4 年建成了神光一i 装置。前者于1 9 9 5 年升级 成星光一i i ( 3 0 0 7 ) ，后者于2 0 0 0 年升级成神光一i i ( 6 k j ) 。 进入九十年代中期，随着全面核禁试条约签署，核大国将核武器物理研究方 式转向以实验室实验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 创造高温和高压物态条件的最佳技术途径，得到各大国的高度重视。因而，美国 率先启动了建造1 8 m j 国家点火装置n i f ( n a t i o n a li g n i t i o nf a c i l i t y ) 的计划， 并希望在2 0 1 0 年左右实现热核聚变点火。法国随即实施建造同样规模的兆焦激 光器l m j 计划。俄罗斯在数十年发展碘激光技术之后，也转而发展固体激光技术， 筹划建造3 0 0 k j 的i s k r a 一6 激光器。我国则在努力发展关键技术的同时，适时启 动了神光一i i i 建造项目，建造神光一i i i 激光装置，高功率固体激光技术发展 步入新的历史时期“。 _ 1 2 2 激光多程放大系统 初期的激光系统均采用放大器尺寸逐级扩大方法，结果导致装置结构十分复 杂。高功率激光系统如再采用逐级扩大办法，那么整个装置将会十分庞大，效率 十分低，而造价十分高，且调整维护也十分复杂。为此将多程放大思想引入到高 功率激光器的主放大器中，并采用组件形式，从而提高了效率，降低了造价。但 是多程放大系统由于光脉冲经多次放大，其光束的线性位相差和非线性位相差都 会累积，结果造成光学输出质量下降，另外，还有子脉冲如何输入及放大脉冲输 出等相关问题。为了解决这些问题，因而大多在系统中采用大型普克尔斯盒开关 及空间滤波器等技术。 如前所述，高功率多程放大系统结构一般都复杂，光学表面较多。图卜l 所 示为美国b e a m l e t 设计的主放大系统。“，腔内放一组四程放大器，助推放大器放 于腔外，腔内插入像传递空间滤波器，大口径开关和偏振片，助推放大器输出的 激光再经传输空间滤波器进入倍频器和靶场系统。 我国正在努力建立的高功率激光装置“神光一”是为了满足激光惯性约束 核聚变的需要而建造的一套大型激光装置，它是四程放大的。如图1 - 2 所示为我 国在建高功率激光器“神光一”原型装置光路设计方案示意图，光束从注入子 塑垩查兰堡主堂垡堡塞 系统注入腔内，经多程放大器四程放大后，光束顺次通过空间滤波器l ， 助推 放大器和空间滤波器2 ，再经由传递光学子系统到达靶场。 “神光一m ”装置包括许多光学子系统，每一个子系统又由很多光学元件组 反射 骨 图1 i ：四程放大系统示意图 成，虽然大部分光学元件的表面都镀有增透膜但是从这些表面的微小反射( 即 通常所称的“鬼反射”，也即是杂散光) 仍具有较高的能量和峰值功率，特别是这 些鬼反射光束经过一系列放大系统或聚焦系统后，将会有很大的峰值功率密度和 峰值能量密度，会对各种光学元件和整个系统产生较大的破坏。鬼反射是高功率 激光装置的光学设计中需要重点考虑的问题，它将直接影响整个实验装置的规 图i - 2 神光一i i i 原型裴置总体光路结构示意图 模、各光学器件间的空间间隔和各种透镜的形状，因而鬼反射的分析和计算是一 项重要的和较复杂的工作。 1 2 3 多程放大系统杂散光分析 高功率激光器系统中多次反射产生的杂散光极易形成多个鬼像。鬼像也就是 塑垩查兰堡主堂垡堡塞 系统注入腔内，经多程放大器四程放大后，光束顺次通过空间滤波器l ， 助推 放大器和空间滤波器2 ，再经由传递光学子系统到达靶场。 “神光一m ”装置包括许多光学子系统，每一个子系统又由很多光学元件组 反射 骨 图1 i ：四程放大系统示意图 成，虽然大部分光学元件的表面都镀有增透膜但是从这些表面的微小反射( 即 通常所称的“鬼反射”，也即是杂散光) 仍具有较高的能量和峰值功率，特别是这 些鬼反射光束经过一系列放大系统或聚焦系统后，将会有很大的峰值功率密度和 峰值能量密度，会对各种光学元件和整个系统产生较大的破坏。鬼反射是高功率 激光装置的光学设计中需要重点考虑的问题，它将直接影响整个实验装置的规 图i - 2 神光一i i i 原型裴置总体光路结构示意图 模、各光学器件间的空间间隔和各种透镜的形状，因而鬼反射的分析和计算是一 项重要的和较复杂的工作。 1 2 3 多程放大系统杂散光分析 高功率激光器系统中多次反射产生的杂散光极易形成多个鬼像。鬼像也就是 浙江大学硕士学位论文 高能量密度的激光光斑，位于鬼点或其附近的光学元件将超过光学材料的破坏阂 值，产生热变形，损伤腔内元件，引起波前畸变，使光束发散角增大，另外，有 的鬼光束会聚点会引起气体击穿，所产生的等离子体吸收有用光束能量，导致输 出光束局部出现暗斑。这都严重影响激光光束质量和传输特性。 对于高能量的激光光束来说，来自系统的很小能量的鬼反射经聚焦后将有很 高的能量密度，足以产生致命的破坏影响。 激光多程放大系统在各种能量密度条件下产生的破坏影响可归结为。”： 1 ) 当能量密度 5 0 m j c m 2 时，可以从大多数物质表面释放出可被吸收的污 染颗粒并沉积在光学元件表面，在强激光的作用下，将产生破坏区并逐 渐扩大以导致光信号的急剧衰减； 2 ) 光能量密度 0 1j c m 2 时，金属表面将被烧蚀或气化，这些气化的物质 沉积在光学元件表面，在强激光的作用下，将产生破坏区并逐渐扩大以 导致光信号的急剧衰减； 3 ) 当能量密度 2 0 j c m 2 时，光学薄膜将被破坏，并降低传输光束的强度和 质量。此时，光学玻璃将开始气化，金属和聚合物将产生爆炸性的烧蚀： 4 ) 当能量密度 1 0 0 0 j c m 2 时，导致空气的击穿( 产生等离子体) 。能量将 被等离子体吸收或散射，极大地降低传输光束的强度和能量。 对于一束能量为i o k j 的激光光束来说，反射率为0 1 的微弱反射都将 产生l0j 的鬼光束，这个鬼光束由一个曲面聚焦，将产生高达10 “j c m 2 的照度，会造成光学元件的永久性损伤。 多程放大系统中的鬼像问题的实质就是杂散光问题。杂散光是光学系统中的 有害光束，它主要由组成系统的光学元件、机械零件的反射、散射而产生。在一 般的光学系统中，二次以上的反射由于能量微弱，往往不予考虑，但是，高功率 多程放大系统结构复杂，光束能量高，其高次鬼像也具有相当高的能量，同样会 对光学元件产生破坏作用。 当前，激光物理学界对高功率激光装置中杂散光问题有过较多研究，提出了 一些激光光学系统、激光光束传输、鬼像分析的物理模型。这些模型虽说从理论 上讲是严密的，但在实际分析时常常导致数学模型极其复杂，从而造成程序结构 及计算工作非常繁琐，并且由于需要多次近似，从而也导致其的计算结果不一定 浙江大学硕士学位论文 十分可靠。 国际上知名光学设计软件z e m a x 、c o d ev 、a s a p 均将鬼点分析作为其基本模 块之一，如在z e m a x 鬼像发生器功能模块中，从镜头的性能数据中获得分析镜头 文件，此文件在给定面设置反射光线而不是通常的折射光线，而这些新反射面之 后的部分光学系统被复制以便使光线能反向追迹，但是，在含有非标准面或坐标 转折面的系统，此功能不能正常工作。商业软件主要是为一般的光学系统设计而 研制的，它们不能或不方便对高功