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高功率激光束中高频位相畸变特性的研究 摘要 高功率激光束焦斑特性是影响聚变物理实验的关键因素之一。焦斑特性主要取决于 聚焦前的光束位相分布，其中低频位相畸变主要决定焦斑主瓣，中高频位相畸变主要决 定焦斑旁瓣。有关低频位相畸变的研究很多，通过低频位相畸变的研究我们掌握了它的 传输规律、与焦斑主瓣的关系，还通过限制光学元件低频位相噪声以及利用变形镜对它 采取了主动控制措施。对中高频位相畸变来说，由于其传输性质复杂，还没有掌握它的 传输规律，以及它与焦斑旁瓣的关系，更无法对它采取控制措施。 高功率激光束中高频位相畸变主要来源于装置中成百上千个光学元件，如果不加以 控制，经过叠加和非线性增长在打靶聚焦时会引起高强度的焦斑旁瓣，高强度的旁瓣打 在靶洞边沿会形成等离子体堵孔而导致实验失败。同时高通量运行时中高频位相畸变还 有引起自聚焦导致光学元件破坏的风险。因此通过研究高功率激光束中高频位相畸变的 传输性质及其对焦斑旁瓣的影响，找到有效控制中高频位相畸变的措施，对实现i c f 驱 动器打靶是非常有意义的。本文研究的主要内容和主要进步点有以下几个方面： ( 1 )基于b t 理论，通过高功率激光束位相畸变的空间频率非线性增长特性的研 究，以及装置打靶对焦斑的物理要求，建立了高中低频位相畸变的划分方法。并根据这 种划分方法，划分了神光原型装置高中低频位相畸变的范围。 ( 2 )由于实际装置中中高频位相畸变的传输物理过程比较复杂，首先将问题简单 化处理，建立了一个简单的局部中高频位相畸变的模型，研究了局部位相畸变对近场调 制的影响规律。然后根据神光原型装置的实际情况数值模拟了由光学元件引入的位相 畸变对光束近场的影响，并通过分析级间b 积分和空间滤波器d 4 1 , 对近场均匀性的作用， 讨论了控制光束近场均匀性的主要措旌。 ( 3 )基于波前畸变p s d 的定义和光束近远场之间的傅立叶变换关系，通过对正弦 函数波前的解析分析，得到了在中高频位相畸变的幅度满足o 2 时，中高频位相畸变 p s d 与焦斑旁瓣具有非常好的近似关系，并且这个关系只取决于中高频位相畸变的幅度 中，与空间频率没有关系。还用数值的方法验证了这个结论是正确的。 ( 4 )基于b - t 理论研究了各种空间频率成分位相噪声在频谱面上的非线性增长 特性，并研究了表征位相畸变各种空间频率成分分布的p s d 的线性传输和非线性传输规 律。在满足b t 理论成立的条件时，得到了中高频位相畸变传输前后的p s d 满足的解析 关系式。还从波前p s d 的定义出发，用解析的方法分析了中高频位相畸变p s d 的叠加规 律，初步研究了用部分相干叠加方法、并基于p s d 的光学元件技术指标分解技术。 关键词：i c f 驱动器，神光原型装置，中高频位相畸变，非线性传输，焦斑旁瓣 高功率激光柬中高频位相畸变特性的研究 a b s t r a c t i t i sw e l lk n o w nt h r o u g hm a n yf i n i s h e dp h y s i c se x p e r i m e n t st h a tt h ec h a r a c t e r i s t i co f f o c a ls p o ti so n eo ft h em o s tc r u c i a lf a c t o r sw h i c hd e t e r m i n ew h e t h e ri g n i t i o nc a i lr e a l i z eo r n o t p r o p e r t i e so ff o c a ls p o ta r em a i n l yd e t e r m i n e db yt h eq u a l i t yo f t h eb e a mb e f o r ef o c u s e d i nb r i e f ，t h em a i no ff o c a ls p o tl i e so nt h el o wf r e q u e n c yc o m p o n e n t so fw a v e f r o n tw h i l et h e t a i lo fi tl i e so nt h em i d d l e h i g hf r e q u e n c yc o m p o n e n t so fw a v e f r o n t m a n yr e s e a r c h e sa b o u t t h el o wf r e q u e n c yc o m p o n e n t so fw a v e f r o n th a v ec o m et ov e r yu s e f u lc o n c l u s i o n s ，h o w e v e r ， f o rt h e m i d d l e h i 曲c o m p o n e n t s ，r e l a t i v e l yl e s sw o r kh a sb e e nd o n ea n dn ou s e f u lr e s u l t s h a v eb e e nd e r i v e da b o u ti t sn o n l i n e a rp r o p a g a t i o no ri t sr e l a t i o nw i t ht h et a i lo f t h ef o c a ls p o t b e c a u s eo fi t sc o m p l e xt r a n s m i s s i o n t h em i d d l e - h i g hf r e q u e n c yc o m p o n e n t so fw a v e f r o n ti n h i 曲- p o w e rl a s e rs y s t e mm a i n l yc o m ef r o mh u n d r e d so fo p t i c sb e c a u s ee v e ne x t r e m e l ys m a l l f i u c t u a t i o n so nt h es u r f a c eo fo p t i c sm a yb e c o m en e g l i g i b l eb yh u n d r e d so fa d d i t i o na n d n o n l i n e a rt r a n s m i s s i o n t h eu n w a n t e dr e s u l t sf r o mi ti n c l u d ep i n h o l ec l o s u r ea n dn o n l i n e a r s m a l l s c a l es e l f - f o c u s i n gw h i c ho r i g i n a t ef r o mh i g h i n t e n s i t yt a i lo ft h ef o c a ls p o ta n d n o n l i n e a rt r a n s m i s s i o no f t h em i d d l e h i 曲f r e q u e n c yu n d e rh i g h - i n t e n s i t y s oi ti sv e r yu s e f u t os t u d yt h et r a n s m i s s i o no ft h em i d d l e - h i 曲f r e q u e n c ya n di t si m p a c to nt h et a i lo ft h ef o c a l s p o t t h ec o n t e n t sa r em a i n l yd i v i d e di n t of i v es e c t i o n sa sf o l l o w s ： ( 1 ) d i v i d i n gt h es p a t i a lf r e q u e n c yo ft h ep h a s ee r r o r si n t os e v e r a ld i s t r i c t sa n dm a k i n g s u r et h ed i s t r i c tt os t u d y f i r s t ，t h eb tt h e o r y , i t sa s s u m p t i o n sa n da n a l y s i so fp h a s ee r r o r s p r o p a g a t i o na r ei n t r o d u c e d t h e n ，b a s i n go nt h en o n l i n e a rp r o p a g a t i o no fd i f f e r e n ts p a t i a l f r e q u e n c y a n dt h er e q u i r e m e n t so fi c ff o rt h em a i nf o c a ls p o t ，w ed i v i d et h es p a t i a l f r e q u e n c yc o m p o n e n t so fp h a s ee r r o r si n t os e v e r a ld i s t r i c t sf o rt h es g 一1 7 is y s t e ma n dm a k e s a r et h ee m p h a s i st os t u d y ( 2 ) s t u d y i n gt h et r a n s m i s s i o np r o p e r t i e so ft h em i d d l e , h i g hf r e q u e n c yc o m p o n e n t so f p h a s ee r r o ro nt h eb a s i so fb tt h e o r y w ef i r s ts t u d yt h et r a n s m i s s i o np r o p e r t i e so fa l o c a l p h a s ee r r o ra n dd r a wac o n c l u s i o nt h a tn o n eo ft h ep h a s ec r r o r su n d e r g oa p p a r e n tn o n l i n e a r i n c r e a s ee x c e p tf o rt h o s ew h o s em a i ns p a t i a lf r e q u e n c yc o m p o n e n t sa r ci nt h eh i 曲一g a i n d i s t r i c t t h e n ，u s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，w es t u d yt h ei m p a c t so fp h a s ee r r o ro nt h en e a r f i e l do ft h eb e a mi np r a c t i c ea n da n a l y z et h er e l a t i o nb e t w e e nt h eba n dt h en e a r - f i e l d c o n t r a s t f i n a l l y , w ea n a l y z et h ei m p a c t so f p i n h o l e sa n dd i f f e r e n tr e s o u r c e so f p h a s ee r r o ro n t h en e a rf i e l dm o d u l a t i o n ( 3 ) i m p a c t so fm i d d l e v h i 曲f r e q u e n c yc o m p o n e n t so fp h a s ee r r o ro nt h et a i lo ff o c a ls p o t f k s t , w ed i s c u s st h er e l a t i o nb e t w e e nt h et a i lo ft h ef o c a ls p o ta n dp s d ，w h i c hd e s c r i b e st h e i i 高功率激光束中高频位相畸变特性的研究 m i d d l e - h i g h 丘e q u e n c yp h a s ee n _ o r b yb o t ha n a l y t i c a la n dn u m e r i c a lw a y s t h er e s u l t ss h o w t h a tn o ts p a t i a lf r e q u e n c yb u tt h ea m p l i t u d eo ft h ep h a s ee r r o rd e t e r m i n e sw h e t h e rt h ep s d d e s c r i b e st h et a i lo ft h ef o c a ls p o tc o m p l e t e l yo rn o ta n dt h a tt h ep s dc a nd e s c r i b et h et a i lo f t h ef o c a ls p o to n l yi f t h ea m p l i t u d ei ss m a l le n o u g h ( 4 ) w ed i s c u s st h er e g u l a r i t i e so fl i n e a ra n dn o n l i n e a rt r a n s m i s s i o no fp s d ，a n du s i n g b tt h e o r y , w ea c q u i r et h ea n a l y t i c a le x p r e s s i o no fp s da f t e ra n db e f o r et h et r a n s m i s s i o no f t h ep h a s ee r r o r ( 5 ) c o n s i d e r i n gt h em e t h o db yw h i c ht h el o w - f x e q u e n c yw a v e f r o n tr m si sa d d e d ，w e b e u e v et h a ti ti su s e f u lt oa d dt h ep s db yt h em e t h o do f p a r t l yc o h e r e n ta d d r i o n a n db a s i n g o nt h ea b o v ea n a l y s i s ，w ep u tf o r w a r dt h eb a s i cw a yo fd e c o m p o s i n gt h es p e c i f i c a t i o n so f o p t i c sf o r t h em i d d l e - h i 曲丘e q u e n c yp h a s ee r r o r s k e yw o r d s ：i c fd d v e r s g - n lp r o t o t y p el a s e r , m i d d l e - - h i g hf r e q u e n c yc o m p o n e n t so f p h a s ee r r o r s ，b e a mn o n f i n e a rp r o p a g a t i o n ，f o c a ls p o t i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国工程物理研究院或其他教育机构的学位或证 书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：副知嘭乏签字日期：。l f 年箩月仁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解并接受中国工程物理研究院研究生部有关保存、使用学位 论文的规定，允许论文被查阅、借阅和送交国家有关部门或机构，同时授权中国工程物 理研究院研究生部可以将学位论文全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 学位论文作者签名：利幢 导师签名 錾均 签字日期：洳。r 年石月妇签字日期：训年石月，争日 高功率激光束中高频位相畸变特性的研究 1 1i c f 驱动器的发展简介 第一章绪论 惯性约束聚变i c f ( i n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o n ) “。”属当今国际上的重大前沿基 础科研领域，对国防科技和未来能源开发有着极为重要的科学意义和应用价值。从长远 来看，i c f 对解决未来的能源问题极具战略意义。就目前的研究状况看来，通过受控核 聚变产生聚变能作为获取未来新能源的途径是比较可行的方法，也是i c f 领域广大科技 工作者孜孜不倦努力的方向。 高功率固体激光驱动器是i c f 驱动源技术之一，较之其他途径如粒子束驱动等技术 更加成熟。”1 。其基本原理如下：利用激光束直接加热或者利用激光束照射高z 向热箍 缩材料转换成的亚干电子伏的x 光间接加热装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 8 k 就能够实现热核材料点火和燃烧，释放出 聚变能。1 。 由于上面的原因，各大国在高功率激光技术发展领域的共同发展。目前应用的激光 驱动器主要是钕玻璃固体激光系统，其发展经历了一个从简单到复杂、从小型到大规模 的过程( 见表1 1 ，表1 2 ) 。在这方面，美国处于领先地位。1 9 9 4 年美国能源部批准了 “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，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，总投资预计 达到2 2 亿美元( 实际投资将超过4 0 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”。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 的建造打下良好的基础。1 。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。 目前n i f 已经完成了激光运行计划的第一阶段“。n i f 首批四束激光已得到脉宽为2 3 n s 能量为1 0 6 k j 的红外光输出，脉宽为3 5 n s 三次谐波( 3 5 1 n m ) 的输出能量可以超过1 6 k j 。 靶场实验系统已进入试运行，有关实验正在开展。预计到2 0 0 8 年完工时，n i f 将提供 1 9 2 路高能量激光来压缩氘氚聚变靶丸，使之达到点火并燃烧的条件，从而释放出的核 能超过或等于引起聚变反应所需的能量。n i f 实验平台提供了研究温度接近一亿k ，压 力接近一千亿个大气压下物理过程的可能性。这些条件在自然界里仅存在于恒星内部和 核武器爆炸中“”“1 。除美国外，法国原子能委员会在1 9 9 4 年批准了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i o o t w 的激光系统的研究工作“； 高功率激光束中高频位相畸变特性的研究 俄罗斯在经过数l o 年碘激光技术的研究之后，也转向固体激光技术的研究“。中国在 近十几年也相继发展了以神光i 、星光i i 、神光i i 为代表的高功率固体激光技术，目前 正在开展与国际先进水平相当的神光激光系统的研究工作“7 ”3 。 表1 1 用于i c f 研究的主要固体激光装置“。 国家实验室装置能量( k j )脉宽束数运行年限 ( n s ) l l 儿n o v a 4 5 ( 3 曲 3 1 0 1 9 8 4 1 9 9 9 美国l l n l b e a m l e t 6 4 ( 3 础 311 9 9 4 1 9 9 9 l i e o m e g a 4 0 ( 3 幽 16 01 9 9 5 - 日本i l eg e k k ox i i 1 5 ( 3 动 11 21 9 8 3 - 法国 l i m e i lp h e b u s 8 0 叻 321 9 8 6 - 1 9 9 9 高功率激光物神光i 1 6 ( 1 动 1 2 1 9 8 5 1 9 9 4 理国家实验室神光i i 6 ( 1 曲 182 0 0 0 - 中国 中物院激光聚星光1 1 0 1 5 ( 3 础 111 9 9 4 - 变研究中心 英国 r a lv u l c a n 2 ( 2 础 18 9 表l _ 2 建造中的新一代i c f 固体激光装置“9 l 国家实验室装置能量( k j )脉宽束数建成时间 ( n s ) l 美国 l l n ln i f 1 8 0 0 ( 3 础 1 5 1 9 2 2 0 0 8 法国c e ad a ml m j 2 4 0 0 ( 3 础 1 52 4 02 0 l o 中国中物院激光聚神光一i 6 0 ( 3 神 36 42 0 1 0 变研究中心 俄国v n i i e fi s k r a 一6 3 0 0 ( 3 叻 31 2 8 9 图1 1 是一个典型的t c f 高功率固体激光驱动器结构简图”。注入的激光脉冲先通 过助推放大器，由偏振器反射进入腔内空间滤波器，通过主放大器之后由变形镜返回， 再次通过主放大器及腔内空间滤波器，这时p o c k e l s 盒通电使激光的偏振面由水平转为 垂直，从而激光脉冲通过偏振器，被腔反射镜( l m 2 ) 反射后进入主放大器经第二次双 程放大，再由腔内空间滤波器返回时，p o c k e l s 盒处于断电状态，激光脉冲则由偏振器 反射，经由助推放大器放大，最后经三倍频转换射入靶室。 高功率激光束中高频位相畸变特性的研究 圈1 1 用于i c f 的高功率固体激光驱动器结构简图 从图1 1 和前面的介绍我们可以看到，i c f 高功率固体激光驱动源有几个基本特点： a ) 光学元件多。据文献报道，n i f 的各种大口径光学玻璃将达到7 5 1 8 片，辅助镜片几 千片”1 ；而我国神光一由6 4 路激光束组成，涉及光学元件3 0 0 0 多个“。 b ) 元件口径大。i c f 驱动器中的光学元件口径通常很大，n i f 的通光口径设计值为4 0 0 m m x 4 0 0 m m ，我国神光一通光口径也将达到3 0 0 n n x 3 0 0 m m ，而大口径光学元件的造价 往往非常高 c ) 强光传输。注入的种子光经逐级放大后能量往往能达到t w 量级，而由于受经济压力 及其它一些因素的影响，通光口径不可能做得太大，所以光强也将达到几个g w c m 2 ， 比传统光源要高出许多个数量级。 1 2 物理对焦斑特性的要求 根据强激光束诱导聚变方式的不同，目前惯性约束聚变的实现方式可分为两种( 见 图1 2 ) “：一种是直接驱动，它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。另一种为间接驱动，即将氘氚小 球放在由高z 向热箍缩材料材料制成的靶腔内，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 光再辐照压缩靶丸，实现聚变。间接驱动方式对激光驱动的均 匀性和对称性要求较直接驱动要低些，但是由于x 光辐射输运过程降低了激光能量的利 用率，实现物理目标需要的辐照激光能量要高。目前由于难以实现直接驱动对靶丸辐照 的要求，一般都采样问接驱动的方式。 间接驱动的激光束在高强度条件下穿孔时，光束与靶孔边缘相互作用激发产生的等 离子体将高速向靶孔中心膨胀，形成一道“屏障”，阻碍后续激光进入靶腔，造成靶腔 高功率激光束中高频位相畸变特性的研究 的等离子体堵口效应。堵口的主要原因是激光焦斑旁瓣的存在，根据以往堵口实验的结 果，不堵口的基本要求是注入孔边缘附近区域的激光功率密度应小于i 0 1 z w c 群。而传输 到黑腔壁上的激光功率密度却要达到1 0 1 c m 2 左右。也就是说，激光聚焦光斑在洞口边 沿处的功率密度应比焦斑中心的峰值功率密度低i 0 0 0 多倍。另外，为保证黑洞靶腔内 的高温高密度状态，对靶孔的尺寸也有严格的限制。因此为保证聚焦光斑顺利通过靶腔 小孔，最大限度地抑制焦斑主瓣周围的旁瓣是提高激光能量注入率的关键。 图1 2 惯性约束聚交驱动方式 ( a ) 直接驱动( b ) 间接驱动 对于我国目前研制的i c f 驱动装置而言，为功率受限型装置，总体输出能量不高。 为了使靶面功率密度达到物理实验的要求，靶丸的尺寸很小，黑腔的注入口也很小，要 将多束激光同时注入靶腔内，对光束聚焦的要求”就非常高，一方面要求焦斑中心分布 尽可能均匀，同时要求焦斑旁瓣要低于一定的阈值，而且受靶腔注入口的限制，对聚焦 光斑的尺寸有严格的要求。 综上所述，聚焦焦斑特性对物理实验的成功至关重要，而聚焦焦斑特性主要取决于 聚焦前的光束质量，尤其是聚焦前光束的位相分布。 1 3 i c f 驱动器中位相畸变的描述 研究表明。”3 ，在光束传播过程中，焦斑特性几乎完全由光束传播过程中所引入的 位相噪声所决定。因此，在分析影响焦斑特性的各种因素时，主要分析位相噪声产生的 原因而忽略振幅噪声。以下主要对位相噪声主要来源和特点进行分析。 1 3 1 位相畸变的表征方式 在分析固体激光驱动器的位相噪声源之前，首先介绍广泛应用于驱动器中的几种位 4 高功率激光束中高频位相畸变特性的研究 相畸变的表征方式。”3 ：波前p v 值、波前r m s 梯度值、波前p s d 和r m s 2 值。p v 值和 r m s 梯度值主要用于表征低频波前，p s d 主要用于表征中高频波前，r m s 2 主要用于描述 高频部分的散射损耗。 1 3 1 1 波前r m s 梯度 对波前分布函数w ( x ，y ) 求x 方向和y 方向的一阶微分，即得到波前分布函数在x 方 向和y 方向上的梯度分布，然后将x 方向和y 方向的波前梯度求均方根得到综合波前梯 度，如下所示： 矿n 南c ( x ? y ) ：c 3 w _ ( x 一, y ) 出 f a d y ( x ? y ) ：o w ( _ x , y ) 洲 g r a d ( xy ) = 、。g 。r 。a 。d 。x 。2 。( 。x 。, 。y 。) 。+ 。g 。r 。a 。d 。y 。2 。( 。x 。, 。y 。) ( 1 - 1 ) 综合波前梯度g r a d ( x ，y ) 的均方根即为波前梯度的r m s ，表示如下： g r m s j g r a d 2 ，y ) d x d y 脚 ( 1 2 ) 相关的研究资料表明。6 。2 ，该指标与光束的聚焦特性密切相关，影响焦斑的主瓣。 1 3 1 2 波前p s d p s d 是指功率谱密度，它不是一个量值，而是一个分布，表示位相噪声谱中各种空间 频率成分的权重分布，其定义如下： 册。也, v y ) = l f o u r i v e r 。 w v ( 。x , y ) i 一 ( 1 3 ) 研究表明。7 ”1 ，光束波前的p s d 能够很好的描述中高频的波前畸变，与焦斑旁瓣的能量 分布有密切的联系，能够反映焦斑旁瓣的一定特征。 1 3 1 3 波前r m s 值 r m s 值是指波前误差分布的均方根，其定义表述如下： 脚= 1 j w 胁( x , y ) d x d y ( 1 - 4 ) 上式的积分区域为光束口径范围。波前r m s 是对波前起伏量的统计，单位为 ，该指标 与光束的散射关系密切，但不能反映光束的聚焦特性。 其中r m s 值与p s d 还有如下关系： 脚：( v ，：一v 巾b ：一b ，) ：v y j 2v p 2 咯。( v ，。k 叱( 1 - 5 ) 1 k i 即任意空间频带的r m s 2 值为p s d 在该频带的积分。 高功率激光束中高频位相畸变特性的研究 1 3 2 高功率激光系统中的位相畸变源 高功率固体激光装置中光束从注入到输出经历仅口径超过3 0 0 m m 3 0 0 m m 的大口径光 学元件就有上百次。这些光学元件的光学厚度超过3 5 n n ，材料可能存在的不均匀性以及 表面不可避免存在的) j 口q - 误差，在光束通过时会引入位相畸变，在强光传输下中高频位 相畸变还会经历非线性增长。这些特点决定了光学元件、非线性b 积分位相延迟都将是 影响光束位相的重要因素。而动态运行时放大器泵浦导致的热畸变也会对光束位相带来 很大的影响，并且光路中还不可避免的会存在空气扰动、光学元件受夹持或是重力作用 而变形，这些也都会影响光束的位相。下面将分别描述这几种位相畸变源的特点和频段 范围。 1 3 2 1 光学元件质量( o p t i c sq u a l i t y ) l 伊 即 1 伊 冒 e 炉 童，讲 。 霍1 0 a t a 1 f f l 1 舭 i o - a 1 0 4 1 懈s i 麓咖lh a l f - l m g h i 籼t a d ) 1 妒1 舻1 铲 们l饥1 f 嗍釉叫1 o 髑al o 最1a 丑l s p s b j “嘲w 嘲n g 蜘”耐t h ep h a s e 髫黼t r a m ) 图1 3 一维p s d 描述t n i f g k ：i ：i 径光学元件的指标要求， 可以看出光学元件引入的位相畸变几乎覆盖了整个频谱范围 如上所述i c f 驱动装置中光学元件很多，由于制作工艺的限制，光学元件的表面加 工误差啪m ，对入射光束的波前产生的调制直接影响着焦斑的质量。图1 _ 3e 2 7 为描述了n z f 大口径光学元件的指标要求一维p s d 分布，从图中可以看出光学元件引入的位相畸变几 6 高功率激光束中高频位相畸变特性的研究 乎覆盖整个频谱范围，根据传输特性主要分为四个区域。第一个区域：f i g u r e 区，为低 频部分，可以很好的用r m s 梯度描述，主要决定焦斑主瓣。自适应光学元件可以部分校 正这部分畸变，大尺度比小尺度更容易由自适应光学校正。第二部分区域：w a v i n e s s 一1 区，为较低频部分，对基频焦斑的尾部以及光束的近场调制有贡献。在频率转换中，它 的比重增加将导致从基频到三倍频焦斑尺寸增加很大。第三部分区域：w a v i n e s s 一2 区， 为较高频部分，可由空间滤波器消除，因而它对焦斑尺寸的影响可忽略，但它的非线性 增益非常大，是威胁光学元件的主要因素。最后区域为r o u g h n e s s 区，主要体现在散射 上。 在激光装置运行当中，光学元件的厚度对非线性效应的增长有着重要的影响，非线 性效应将导致焦斑的扩展，严重的非线性传输效应也将使靶面可聚焦功率大大下降。对 非线性效应而言，光学材料和加工引入的各种中、高频空间尺度的位相畸变是系统内主 要的“噪音源”。n i f 模拟计算表明：对应于光学元件四种不同的加工水平，当。光的 b 超过3 5 时，尽管3 。输出总功率不断增长，但靶面可聚焦功率将下降。但在相同运 行条件下光学元件加工精度越高，3 0 ) 。可聚焦功率越高( 见图1 4 。2 1 ) 。 p o w e r l p s b d e2 5 0m i c r o n 讹卅咖o r c l e ，m f j 二三鍪到步等 棚i 乒一、j h _ 口j ，叠乒乞：；，心o _ 么彩7 叠雪rif 一 一 邗_ 。畸蛳j p 4 耐 d 萨 r ； = j ， 1 图1 4 不同质量光学元件对可聚焦功率的影响 1 3 2 2 泵浦噪声( p u m p i n d u c e dd is t o r t i o n ) 泵浦噪声共分为两类，一类可称之为动态泵浦噪声，在大型固体激光器中，一般采 用氙灯泵浦形式，在泵浦过程中，由于氙灯辐照不均匀，在激光板上存在温度的梯度分 布，该梯度分布引起的热压使得激光板弯曲，激光板上经过不同位置的光程各不相同， 从而引入位相噪声。由于放大片弯曲形状变化缓慢，泵浦噪声只是种低频噪声。 另一类为静态泵浦噪声，由于放大器热恢复时间长，在下一次打靶对，放大器还没 有恢复到原来的形状，这样，在第二次打靶时，光束中将引入残余的泵浦噪声。 泵浦噪声对焦斑尺寸有很大的影响，实验表明，泵浦噪声是造成低频噪声的主要原 因。图1 j 。”为动态的泵浦导致激光器片畸变附加的位相误差，边沿大的畸变是由于包 边的热效应；图1 6 。”为静态的泵浦导致激光器片畸变附加的位相误差，为激光点火运 行8 个小时后的情况。由于泵浦噪声属于长空间尺度的位相畸变，可以用变形镜矫正。 高功率激光束中高频位相畸变特性的研究 兰 差 4 一 。函 ” i r ； 图1 6 静态的泵浦引入的激光器片畸变附加的位相误差， 激光点火运行8 个小时后的情况，由热传输和应力光学程序计算 l i3 2 3 非线性b 积分效应( b - i n t e g r a le f f e c t ) 在高功率条件下，激光与介质相互作用所表现出来的非线性，可用一积分对其定量 表征沮“， 8 高功率激光束中高频位相畸变特性的研究 b = 等i l ( z ) y ( z ) d z ( 卜6 ) l 。 其中y 为介质的非线性折射率系数 以= n 。+ 玎( 1 7 ) ，为光束光强，z 为波长。 对整条光路的积分( 从光束注入到频率转换器前端) 定义为z b ，在两空间针孔滤波 器之间的积分定义为b 。b 积分表征了由于非线性效应引起的光束位相的变化。 b 积分效应对焦斑的影响表现在以下几方面。“”1 ： 十全光束自聚焦( w h o l e b e a ms e l f f o c u s i n g ) 光束自聚焦是一种感应的透镜效应，光束在非线性介质中传输时，具有较高强度的 光束中心部分所经受的折射率比其边缘部分的折射率大，光束中心部分传播速度比边缘 部分低，这样，在传播过程中，光束的波前畸变逐渐增大，这种畸变相当于正透镜的作 用，光束就像被自己聚焦。 $ 光束调制和分裂( b e a mm o d u l a t i o n b r e a k u p ) “”1 由于入射光强不均匀，光束在介质传输的过程中，非线性折射率同样会导致小尺度 位相增长和强度起伏。这种高频起伏不能够完全用针孔滤波消除，而且当输出功率增大 时，光束在经过最后针孔后聚焦的焦斑尺寸也将增大。与全光束效应相比较，它对1 c o 焦斑的影响相对较小，但在高功率情况下，对3 。的焦斑尺寸有较大影响。这种起伏引 起的光束调制将导致局部光强过高，造成元件损伤。实际上，输出功率和频率转换器输 出3m 的峰值受近场调制的限制。这种由于小尺度的位相延迟导致的光束小尺度自聚焦 对光束强度的影响直接通过模拟计算很困难，美国l l n l 通过实验得到一个半经验公式 来描述b 积分值和光束峰值功率和平均值之间的关系 i 。庐i 。( 1 3 + 0 1 e 邙) ( 卜8 ) 频率转换引起焦斑尺寸扩大( s p o ts i z ef l a r i n go r f r e q u e n c yc o n v e r s i o n ) 一1 l “”! j p ； 孙- ，l ；廿! 一”i 4 。k 、 图1 7 模式混合引起焦斑尺寸增大 9 高功率激光束中高频位相畸变特性的研究 频率转换中对焦斑尺寸的主要影响主要是场中低频成份的模式混合( m o d e m i x i n g ， 三光子过程) 加大主焦斑的尺寸。模式混合是从1 光场源频率成分中产生的和频和差 频成分在频率转换中非线性作用的过程。 另外，在频率转换过程中，焦斑中心区域外的高频位相噪声得到加强。如果这种来 自1 ( o 的噪声足够大，那么1 0 ) 和3 的焦斑尺寸将有显著的区别，如图1 7 ”，为模式混 合引起焦斑尺寸增大。这些主要来自光学元件的高频位相噪声在基频光束经过非线性传 输时将增大焦斑的旁瓣。 1 3 2 4 大气湍流 在泵浦过程中，除了放大器受热畸变外，还将有部分热量传递到腔内的空气造成空 气振动和折射率的变化，目前还没有适当的模型和确切的数据对其描述光束质量的影 响。 之外，还有安装、重力下沉、透镜对位误差等噪声。各级之间的微小对位误差，使 得光束略微偏离空间滤波器，这将对输出光束的波前带来附加的象散和慧差。这些相位 误差是长波的，容易被变形镜校正。 综上所述，光学元件引入的位相畸变占位相畸变的绝大部分，尤其是中高频部分， 几乎全部都是由光学元件引入的。低频位相畸变主要影响焦斑主瓣，可以部分由变形镜 校正，中高频位相畸变主要影响焦斑旁瓣，在高通量时还可能会由于非线性自聚焦作用 导致成丝破坏，目前没有好的校正方法，只有依赖于光学元件加工精度的提高。 1 。4 国内外研究现状 多年来，人们意识到i c f 激光器中非理想的光学元件限制了它传送到靶心聚焦能量 的能力侧，降低光学元件引入的位相误差在实现i c f 物理要求上具有非常重要的地位。 因此设计合理的光学元件指标对实现打靶和减轻加工技术的压力都有很重要的意义。 n i f 在多年研究的基础上，从概念设计和物理意义上考虑主要应用了两种表征方式 表征光学元件：r m s 梯度和p s d 。”2 。从概念设计上讲，焦斑主瓣的形状决定是否满足 n i ps s m p 任务的功率能量需要，而它主要由光束中长空间尺度的噪声决定，这部分位 相畸变由r m s 梯度表征；对于旁瓣，要求注入孔边缘附近区域激光功率密度应小于 1 0 1 2 w c m 2 ，与之相关的位相畸变还可能由于非线性作用造成光学元件破坏，这主要由光 学元件位相噪声中高频部分决定的，由p s d 表征。从物理含义上说，长空间尺度的位相 畸变可以近似为几何光学，p d i s 梯度刚好可以表征光线的方向，因而可以完全决定焦斑 主瓣；较高频的位相畸变在传输过程中可能会有非线性增益，物理过程比较微妙复杂， 不能近似为几何光线光学。 经过多年的研究。5 4 ”“，现在我们知道：低频位相畸变与远场光强分布中心部分有 1 0 高功率激光束中高频位相畸变特性的研究 直接的联系，是决定焦斑主瓣特性的主要因素，图1 8 为模拟得到的9 5 能量焦斑半径 与波前e m s 梯度之间的统计关系，从图中可以看出r m s 梯度与焦斑大小有很好的线性关 系。利用自适应光学元件以及静态补偿光学元件可以部分校正低频位相畸变，图1 9 为 自适应光学波前校正前的光束位相分布，采用3 9 单元变形镜模型校正的结果如图1 1 0 ， 两图比较可以看出自适应光学元件在校正低频位相畸变的作用是非常明显的。结合光路 中其他引入低频位相畸变的因素，考虑到物理打靶对焦斑主瓣的需求，通过对低频位相 畸变传输性质及其对焦斑主瓣特性影响的研究，原型装置对光学元件低频位相畸变指标 提出了加工要求。 鲫 t 蜘 三 蹦卸 井 髭跏 苫 量瑚 譬 加 捌1 焦斑尺寸与菠前r m $ 挤度的美系 y - 3 7 1 1 x - 船 ， j 并 玺：。 棱前r m s # ；度( x i c m ) 图1 8 焦斑尺寸与波前r b 梯度的关系 睁卸时阃为2 0 分钟时的自话应光学校正对象控正后的埴葡 图1 9 自适应光学波前校正的对象图1 1 0 采用3 9 单元变形镜校正后的波前 n i f 还研究了中高频段的位相畸变，主要包括光学元件位相畸变p s d 曲线的计算、不 同频段的位相畸变对高功率激光束的作用以及对光学元件中高频位相畸变提出加工要 求等。”“1 。n i f 的研究认为，位于w a v i n e s s - i 区的中高频位相畸变是影响焦斑旁瓣 的主要因素；位于w a v i n e s s 一2 区的中高频位相畸变在高通量下通过非线性介质时非线 性增长非常高，是导致光学元件自聚焦成丝破坏的主要因素( 如图1 3 ) 。综合光学元件 的检测手段、加工现状、中高频位相畸变的传输特性以及打靶对焦斑旁瓣的物理需求， 高功率激光束中高频位相畸变特性的研究 n i f 对光学元件位于o 0 3 r a m1 v 8 3 m m - 1 频段的设计要求为 表示的线。 p s d a v “其中a = i 0