（光学工程专业论文）脉冲压缩光栅波像差理论与实验研究.pdf

壁壁里塑垄塑垫堡差型堡量壅墼塑窒已墨! ! 墨 脉冲压缩光栅波象差理论与实验研究 中文摘要 本文围绕着小像差大口径脉冲压缩光栅的制作展开了理论和实验研究，主要 内容包括以下几个方面： 首先介绍了研究惯性约束核聚变( i c f ) 的意义和国际上脉冲压缩光栅( p c g ) 的研究状况。从光栅衍射波像差和记录光路像差的关系入手，研究了记录光路的 调节误差对光橱衍射波像差的影响，并以光栅i 4 天波像差为依据计算出了光路 中空间滤波器调节的误差容限。分析了光栅波像差经双程压缩和四程压缩后的变 化。确定了光栅基片菰形误差对光栅锈射波像差盼影响。 分析光栅波像差与脉冲压缩的关系，计算出了备入射角度下光栅波像差对脉 冲压缩比的影响。 由于空间滤波器轴向调节误差要求非常苛刻，普通的调节方式难以奏效。因 而我们提出了莫尔条纹光路调节法，并从理论和实验两方面分析了莫尔条纹法的 简单、有效、适时性。 最后利用球面干涉仪验证脉冲压缩光栅的衍射波像差，并分析了脉冲压缩光 栅对装置调节误差对翻程压缩波像差的影响。为深入进行多层余质貘脉冲压缩光 栅的质量评价及监测的研究工作奠定了基础。 关键词：光栅：波象差：光线追迹； 脉冲压缩；惯性约束聚变 作者：张伟 指导老师：吴建宏 脉冲雎缩光栅被像差理论与实验研究英义摘蜚 t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no f w a v e f r o n ta b e r r a t i o no fp u l s ec o m p r e s s i o ng r a t i n g a b s t r a c t a ne x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a ls t u d yo nw a v e f r o n ta b e r r a t i o no f p u l s ec o m p r e s s i o ng r a t i n gi sp r e s e n t e d i nt h i sp a p e r f i r s t ，t h er e s e a r c hm e a n i n go ft h ei c fa n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c h s t a t u so f p u l s ec o m p r e s s i o ng r a t i n ga r ei n t r o d u c e d s e c o n d ，w i t ht h er a y - t r a c i n gp r i n c i p a l ，t h er e l a t i o nb e t w e e nt h e a d j u s t i n go f f s e to fo p t i c a lp a t ha n dt h ed i f f r a c t i v ew a v e f r o n ta b e r r a t i o ni s d e d u c e d w h e nw a v e f r o n to fg r a t i n gi sl e s st h a n1 4 入，a d j u s t i n go f f s e to f t h es p a t i a lf i l t e ri nt h eo p t i c a le x p e r i m e n t a ls y s t e mi sc a l c u l a t e d w ea l s o a n a l y s eh o ww a v e f r o n ta b e r r a t i o no ft h eg r a t i n gc h a n g e dw h e nt h a ti s c o m p r e s s e dt w i c eo rq u a r t i c t h e nw ea s c e r t a i nt h ee f f e c to ft h es u r f a c e e r r o ro f g r a t i n go nt h ed i f f r a c t i o nw a v e f i ：o n ta b e r r a t i o n t h i r d ，t h ee f f e c to ft h ew a v e f r o n ta b e r r a t i o no fg r a t i n go nt h ep u l s e c o m p r e s s i o nc h a r a c t e r i s t i ci sa n a l y s e di np r i n c i p l e f o u r t h ，ab e t t e ra d j u s t i v em o d ei si n t r o d u c e da n da n a l y s e da tl e n g t h w ed e f i n e dt h i sa d j u s t i v em o d ea st h em o i r 6f r i n g e t e c h n i q u e i t s a d j u s t i v ep r e c i s i o na n ds e n s i t i v i t yi sg i v e n w ea l s os h o wt h ee f f e c to f g r a t i n gp a i r so nr e m o v i n gd e f o c u sa b e r r a t i o n f i n a l l y , w i t he x p e r i m e n t a t i o nw et e s tt h ed i f f r a c t i o nw a v e f r o n t i l 脉冲压缩光栅波像差理论与实验研究英义摘要 a b e r r a t i o no fg r a t i n g w ea n a l y s eh o wt h ea d j u s t i n ge r r o ro ft h eg r a t i n g p a i r sa f f e c tt h ew a v e f r o n ta b e r r a t i o n t h ew o r kw o u l db et h ef o u n d a t i o no ft h ef o l l o w i n gr e s e a r c ha b o u t q u a l i t ye s t i m a t i o na n dd e t e c t i n go fm u l t i p l a y e rd i e l e c t r i cg r a t i n g k e yw o r d s ：g r a t i n g ；w a v e f r o n ta b e r r a t i o n ；r a yt r a c i n g ；p u l s e c o m p r e s s i o n ；i n e r t i ac o n t r o lf u s i o n w r i t t e nb y z h a n gw e i s u p e r v i s e db yr e s e a r c h e rw uj i a n h o n g i l l x7 8 1 5 4 8 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文时本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或其他教育机构的学位证书而 使用过的材料对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确的方 式标明。本人承担本声明的法律责任 研究生签名：銎：盛 日期： 2 q q 5 ：q ：! 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学合作部、中国 社科院文献信息情报中心有权保留本人所提交学位论文的复印件和电子文档，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的 内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅可以公布( 包 括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办 办理。 研究生签名：i 生! ：! 垒 同期：2 q q 二塑：! 导师签名： 丞垄老 日期：2 q 竖：q 3 ：! 脉冲压缩光栅波像差理论与实验分析 第一章引著 第一章引言 1 1 惯性约束聚变的研究意义 激光惯性约束聚变( i c f ) 是实现可控核聚变获得原子核内部巨大能源的主 要方法之一，它的实现是提高一个国家核能力和解决人类能源危机的关键问题。 利用激光或粒子束作为驱动源，脉冲式她提供高强度能量，均匀地作用于装 填氘氚燃料的微型球状靶丸外壳表面形成高温高压等离子体，利用反冲压力使靶 的外壳极快地向心运动，压缩氘氚主燃料层到每立方厘米几百克质量的极高密 度，并使局部氘氚区域形成高温高密度热斑，达到点火条件。驱动脉冲宽度为纳 秒级在高温高密度核燃料来不及飞敖之前，进行充分热核燃烧，放出巨大能量。 聚变所需的原料重氢在海水中蕴藏量极丰富，如果成功实现了惯性约束聚变对与 合理利用海水也有很重要的意义，而且核聚变优越于核裂变除了能使放出较大能 量外，其产物是无放射性污染的氦。 研究惯性约束聚变点火不仅可以使人类逐步掌握可控核聚变的手段，用以产 生取之不尽、用之不竭的聚变能量，造福人类；另一方面惯性约束聚变及相关的 物理规律的研究对保证核武器库存和安全，提高一个国家的核能力也具有十分重 要的意义。 1 2 国际上脉冲压缩光栅的研究进展状况 基于光栅的飞秒脉冲啁啾放大技术是高强度激光产生的重要手段。可以说， 没有光栅的脉冲啁啾放大技术，强光光学的实验进展是不可想象的。现在的激光 核聚变大型装置中，大尺寸的脉冲压缩光栅“”在其中起着不可替代的作用，没 有大尺寸的脉冲压缩光栅，大型激光核聚变装置是不可能工作的 全息光栅和刻划光栅“”在科学发展史上曾经起过重要作用。并且目前仍广泛 应用。用于i c f 的脉冲压缩光栅目前主要有镀金光栅和介质膜光栅。1 9 9 3 脉冲压缩光栅波像差理论与实验分析 第章0 i 占 年，l l n l 和h u g h e s 联合制作出了第一块介质膜基底脉冲压缩光栅【1 1 1 , 其衍射效 率为9 7 ( 理论9 8 ) ，对于1 , 0 5 3 a m 的激光脉冲，其损伤阈值为0 6 j c m ，但是 光栅的几何尺寸不大。2 0 0 0 年有报道l l n l 制作的介质膜光栅面积已经达到 1 5 0 m m 3 5 5 r n m ，衍射效率9 5 以上。美国l a w r e n c el i v e r m o r en a t i o n a l l a b o r a t o r y ( l l n l ) 在激光核聚变项目上使用大面积光栅来对激光脉冲进行压缩， 他们使用的光栅面积达到9 4 0 x 7 5 0 r a m ，目前l l n l 制造的镀金全息光栅在1 0 5 3 微米波长的实测衍射效率超过了9 5 ，尺寸达到了直径9 4 c m ，对于n s 级和亚 p s 级1 0 5 3 微米的激光脉冲，其损伤阈值分别达到了1 2 j c m 2 和o 4 j c m 2 ，已接 近金的理论值1 5 j c m 2 和o 6 j c m 2 。法国j o b i n y v o n 公司于2 0 0 3 年底制作出了 首块面积为2 1 0 m m 4 2 0 m m 的介质膜基底脉冲压缩光栅，衍射效率达到了 9 5 9 8 ，损伤闽值高于镀金光栅的2 3 倍。 早在上世纪八十年代，w i g m o r e 和g r i s c h k o w s k y 已经成功利用脉冲压缩光 栅将5 6 纳秒脉宽的激光脉冲压缩成了0 5 纳秒的脉冲。 1 3 本课题的研究内容 鉴于脉冲压缩光栅的军事需求背景以及其高衍射效率、高损伤阈值和大尺寸 的苛刻要求是国内外市场上的商业光栅远远无法满足，我们只能依靠自己的力量 研发大口径脉冲压缩光栅。 采用双光束干涉的方法制取，其中光栅的大口径必然要求用以干涉的平行光 束口径也应较大，这对大口径透镜的加工精度要求、光栅基片的平整性、光路调 节精度和系统稳定性要求都很高。 本课题的主要研究内容如下： ( 1 ) 从光栅衍射波像差和记录光路像差的关系入手，研究了汜录光路 的调节误差对光栅衍射波像差的影响，并以光栅1 4 波像差为依 据计算出了光路中空间滤波器调节的误差容限。分析了光栅波像 差经双程压缩和四程压缩后的变化。确定了光栅基片面形误差对 光栅衍射波像差的影响。 ( 2 ) 分析光栅波像差与脉冲压缩的关系，计算出了各入射角度下光栅 波像差对脉冲压缩比的影响。 脉冲压缩光栅波像差理论与实验分析第一章0 l 击 ( 3 ) ( 4 ) 由于空间滤波器轴向调节误差要求非常苛刻，普通的调节方式难 以奏效。因而我们提出了莫尔条纹光路调节法，并从理论和实验 两方面分析了莫尔条纹法的简单、有效、适时性。 对实验光学系统进行了详细分析，利用球面干涉仪验证脉冲压缩 光栅衍射波像差，并分析了脉冲压缩光栅对装置调节误差对四程 压缩波像差的影响。 脉冲压缩光栅波像差理论与实验研究第二章脉冲雎缩光栅波像差理论分析 第二章脉冲压缩光栅波像差理论分析 2 1 空间光线追迹原理”钉 当我们分析和评价光栅波像差时，通常需要对光栅制取光路的空间光线进行 计算。通过选取光栅采样点，进行逐点光线追迹，计算出从空间滤波器发散点到 记录面上的光线光程及光线方向余弦，以此来分析光栅的波像差。 空间光线坐标的选择一般选用右手坐标系，x 轴和光轴重合，如图2 1 所示。 图2 - 1 系统中的每个曲面统一用下列方程表示 f ( 葺，咒，z 。) = # + 拜+ z ? 一2 啊一b 砰= 0 ( 2 1 ) 坐标原点和曲面顶点重合，式中e 值对应不同曲面， e = o 球面 o 0 时，称光脉冲为正线性频率啁啾；当卢 0 时，称光脉冲为负线性频 率啁啾。 光脉冲的啁啾行为在脉冲整形及进一步压缩中起着重要作用。惯性约束聚变 的产生必须采用高功率激光脉冲，线性啁啾脉冲经过色散介质( 光栅) 压缩后可 获得很高的功率。 3 1 理想脉冲压缩光栅脉冲压缩原理“” 线性啁啾脉冲通过线性色散介质，其脉冲宽度被压缩。线性啁啾脉冲的初 始宽度、啁啾、调制带宽和色散介质中的群延迟均是获得大的脉宽压缩比必须要 考虑的因素。 考虑一个线性啁啾高斯光脉冲，其电场分靠 e ( o ，) = e oe x p ( _ 2 z ) c o s ( h 蛾一( 2 ，) )( 3 嘞 且z = 0 + 正好在色散介质内，脉冲宽度t 脉冲压缩光栅敞像差理论与实验分析第三= 章光栅波像差对j = 冲压缩的蟛响 入射载波频率 国o ) = ( d o + 面。t t 其中平均载波频率； ( 3 - 4 ) 面。是脉冲宽度t 的脉冲1 e 处峰值强度有限性啁啾所包含的频率范围 入射脉冲( 3 3 ) 的傅立叶变换为 e ( o ，) 唧 赫一寺a n 1 ( 剀 唧 鹅+ 寺肌。 6 c o o 。4 t ，商斯波形功翠谱l e 【o ，缈j a 的l e 带宽。 硒：l 国。) 2 + 慨) 2 7 ” 脉冲宽度内由传播介质i i , x 1 t t 随频率变化位相延迟 ( ) = 吲 在= 处泰勒展开 ( ) = 如+ 一( m 一) + ( 脚一) 2 ；寸( 一) 3 + 苫( 国) = 纯+ f 1 ( 国+ ) + ；( + ) 2 ；司( + ) 3 + 铲篆降卜 r ；= - y d - w 2 f c 蝴- 7 。- 、) l + 。 乒嘉l + 。 丸= k o x ，假设泰勒级数三级后的可以忽略不计。 输出e ( 五t ) 的电场由入射场上各个频率成分e f o ，) 积分得到 ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 - 7 a ) ( 3 7 b ) ( 3 7 c ) ( 3 - 7 d ) ( 3 - 7 e ) 壁冲堡塑堂塑丝堡垄些堡! 塞堕坌堑兰兰皇j 垡堕生塑垄翌壁壁堡型! ! ! ! 旦 咐) = 瓦1 仁批( 台小p 陬小枷 + 去j 私加卜h z 谢 e ， 输出波形 即 f ) 珊( 1 i 2 e o ( 1 丽2 z r j , 2 唧“k o x - c o o t - 丢t a n - 1 其中a z e 坤* 一别 2 d c o o ( 3 ( 0 0 + f 碱) a i 是埃里积分。 区 8 剀 ( 3 - 9 ) ( 3 10 ) 当f ；足够小到满足f ；， f ；，则脉冲呈现高斯波形 】2 _ i 甜i e x p 。一半 输出脉宽 h + 能) 2 2 当啁啾宽度哦= 一萼 获得的最小脉冲宽度 p ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) 如果足够大，出式( 3 9 ) 表示的压缩波形就不能写成式( 3 11 ) 所表示的高 斯波形。 -l，j 4 、 乇一丁 ， + 脉冲压缩光栅波像差理论与实验分析 第三章光栅波像差对脉冲援缩的影响 g 1 g 2 图3 1 脉冲压缩光栅装置示意图 如图3 1 所不：光栅平行放置，网光栅的垂直距离g 。线性啁啾脉冲以小角 度掠入射经过光栅对后的群延迟随频率变化十分强烈。假定脉冲以y 角入射到第 一块光栅g 1 后，m 级衍射光以衍射角六) 出射，光线经过光栅对后和入射光 线相平行。不同频率的光在光栅对之间传播的距离善) 不同，由此引起的位相延 迟： ( ) = 眈k o ) 一( 2 刀) t a n 一以) ) ( 3 - 1 5 ) 其中，d 光栅的空间周期 ，一以0 ) 以光栅的法线方向为参考的衍射角 其中频率为的光波在色散介质中传播距离x ) x ( ) = g s 以咣。陟一巩 净1 6 ) 巳) 由光栅方程 s i n ) + s i n 一以b ) ) = 肼p a 罗乙j ( 3 - 1 7 ) 由式( 3 1 1 2 ) ( 3 一卜1 3 ) 可以得到妒( ) 的泰勒展开系数 铲( ) ( 1 + c o s ( 以) ) 。、 ( 3 - 1 8 a )一 c o s ( y 一) - 。 = 普( 等卜2 训( 3 - 1 8 b ) 脉冲爪缩光栅波像差上! i ! 论j 实验分析第二章光栅波像差对脉冲胜缩的影响 r ；= 互3 。g 喀l ( m 2 x d c 1 2 c o s 2 ( ，一眈) + l m 2 ；d t c j s i n ( y 一氏) c 。s 一5 ( ，一巳) 可得出经过脉冲压缩光栅后的最小脉冲宽度为 l 2 3 2 象差对脉冲压缩影响的分析 3 1 节详细分析理想光栅脉冲压缩特性。实际使用的光栅由于光路调节误差 和光学器件加工误差的存在引入了像差，其空间频率分布不均。五光栅边缘空 间频率，工光栅中心频率差值最大。 有象差脉冲压缩光栅看作是以下两类理想光栅对的合成： ( a ) 空间频率均为正的理想光栅对 ( b ) 空间频率均矗为的理想光栅对 ( c ) 空间频率为正和矗的理想光栅组成的光栅对。 ( a ) 、( b ) 两种情况可参照3 1 节中理想光栅脉冲压缩的分析，而( c ) 情况 要另行计算。 适当的色散介质可以压缩线性啁啾脉冲，压缩的最小脉冲宽度主要取决于啁 啾宽度和波矢k 0 ) 的第二阶泰勒展开系数f ；。 一2 署【等p ( r - c o s 吒) c 。- ，8 b ) ，巧l i 晓l ( 3 1 c l 峨d 其中：g 光栅对之间垂直距离； y o m 衍射角；d 光栅周期： c 光速；m 衍射级次 由式( 3 1 8 b ) 可知：选定入射角y ，g 和确定的脉宽t 则主要由光栅空间 频率( 1 d ) 决定。 以脉冲压缩光栅对的波象差m 为依据，表3 - 1 给出了各空间滤波器调节误 ) ) 协 一 卜 脉冲压缩光栅波像差理论j 实验分析 第三章光栅波像差对脉冲h 缩的蟛响 差所造成光栅的最大空间频率的变化。 表3 - 1 脉冲压缩光栅空间频率变化 t a b l e3 - 1 t h em a x i m u m s p a t i a lf r e q u e n c yd i f f e r e n c eo fg r a t i n g o f f s e td i r e c t i o no f f s e tv a l u e ( r a i n )t h em a x i m u ms p a t i a ld i f f e r e n c e ( 1 m m ) x o 2 20 0 0 1 6 y2 20 0 1 8 z4 40 2 1 9 4 和0 2 1 7 6 3 3 空间频率为正或厶的理想光栅对的压缩特性分析 分别取非理想光栅中心频率工和边缘频率厶组成两对光栅，即空间频率上 的脉冲压缩光栅对和空间频率厶的脉冲压缩光栅对。比较这两对脉冲压缩比， 可以得出脉冲压缩比的最大变化量。 因脉冲压缩光栅的使用条件是近利特罗角。中心频率为1 4 8 01 m m 的光栅， 使用波长1 0 6 微米利特罗角约为5 1 0 2 度。分别以4 6 、4 7 、4 8 、4 9 、5 0 度入射 角，脉冲宽度i n s ，光栅垂直距离g = 1 0 0 m 。计算出个角度下的脉冲压缩比变化 如表3 2 表3 - 2 入射角度与脉冲压缩比的关系 t a b l e3 - 2r e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n s t a n ta n g l ea n dc o m p r e s s i o nr a t i o s i n s t a n ta n g l e ( d e g r e e ) 4 64 7 4 84 9 5 0 c o m p r e s s i o nr a t i o s 7 9 6 0 9 78 8 4 5 8 3 9 7 3 1 1 31 0 6 1 3 5 9 n 4 9 0 3 6 以脉冲压缩光栅对衍射波像差1 4 为依据，轴向调节误差4 4 m m 引入的空间频 率变化最大。 蜕。= 五一五，厶光栅边缘空间频率，工光栅中心频率 脉冲腿缩光棚波像差理论与实验分析 第三章光栅波像差对脉冲k 缩的影响 纛= 0 2 1 7 6 和0 = 一0 2 1 9 4 ： 虬。= o 2 1 7 6 时，表3 - 3 给出了个入射角度下空间频率变化对脉冲压缩的影晌 表3 3 入射角度与脉冲压缩比的关系 t a b l e3 - 3r e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n s t a n ta n g l ea n dc o m p r e s s i o nr a t i o s i n s t a n ta n g l e ( d e g r e e ) 4 64 74 84 95 0 c o m