高功率激光驱动器光束聚焦特性研究

论文摘要

光束聚焦特性是ICF激光系统中备受关注的问题之一。在高功率固体激光装置中,多级空间滤波器系统和靶场终端光学系统都存在光束聚焦过程,以往在研究聚焦特性时,主要针对的是焦平面位置的光斑。然而在间接驱动方式打靶时,激光束穿过靶孔最终辐照在柱腔靶的靶壁上,因此必须同时控制焦平面和焦平面附近离焦位置的光斑特性以满足实际物理实验的要求。另外激光装置运行过程中的热效应和安装调试误差都会使得空间滤波小孔和光束实际焦面存在偏差,使得实际滤波过程可能和预计的二元滤波效果有所不同。建立更全面的光束聚焦过程分析模型,针对焦平面、离焦面位置光斑特性和控制方法进行深入细致的分析,对于提升激光装置的性能具有重要的指导作用。本论文主要包括以下内容:1.完善了光束聚焦过程的数学模型,提出了“空间角谱+光线追迹”的光束聚焦分析方法;2.根据上述分析方法,研究了离焦空间滤波器的频谱响应函数,结果表明,在离焦距离较小,离焦空间滤波器有软边滤波效果;离焦距离较大时,光场在小孔边缘发生明显的衍射,滤波函数没有规律,部分中高频成分开始增长;离焦距离的临界值与小孔的尺寸和光场频谱分布有关,在典型的小孔参数和波前畸变条件下,临界值约为10倍焦深,为高功率激光系统空间滤波器的设计和调整提供了参考;3.基于频谱分析方法,研究了波前畸变PV值对焦斑分裂的影响,结果表明,波前畸变PV值是导致焦斑增大的主要原因之一,很好的解释了实验中三倍频焦斑分裂现象,得到了波前PV值与焦斑分裂现象之间关系的基本规律,为焦斑分裂的控制提供了理论依据;4.基于光束聚焦过程数学模型,对比分析了焦平面和离焦位置光斑特性与波前畸变的相互关系,研究了离焦距离对于光斑特性的影响,得到在实测激光波前畸变条件下焦后光斑均匀性优于焦前、入孔位置设在焦后10倍焦深附近有较好的能量注入率和靶壁光斑均匀性的结果,对间接驱动靶参数的设计具有参考意义;5.基于上述理论分析,探索了基于“模式爬山”算法的AO系统焦面控制方法,研究了AO系统对光斑的控制能力,为未来高功率固体激光装置波前控制技术方案设计提供了理论引导。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 惯性约束聚变基本概念
• 1.1.2 间接驱动研究对光束质量的基本要求
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 ICF激光装置中位相畸变的描述
• 1.2.2 焦斑特性与波前畸变的关系
• 1.2.3 ICF激光驱动器的波前畸变控制措施
• 1.2.4 波前控制研究现状
• 1.2.5 存在的问题
• 1.3 本论文的内容安排
• 第二章 光束聚焦的物理模型
• 2.1 光场线性传输研究的基本方法
• 2.2 光场线性传输的数值计算方法
• 2.3 焦面位置光场的物理模型
• 2.4 离焦位置光场的物理模型
• 2.4.1 离焦位置光场的计算
• 2.4.2 焦前与焦后的关系
• 2.4.3 焦面位置与离焦位置光场的关系
• 2.4.4 聚焦问题分析的新方法
• 2.5 小结
• 第三章 聚焦光斑特性研究
• 3.1 ICF激光驱动器焦斑质量描述方法
• 3.2 影响焦斑特性的主要因素分析
• 3.3 焦斑尺寸和旁瓣与波前特性的关系
• 3.3.1 焦斑尺寸与低频波前GRMS的关系
• 3.3.2 焦斑旁瓣与中高频波前PSD的关系
• 3.3.3 讨论
• 3.4 焦斑分裂问题研究
• 3.4.1 波前PV与焦斑分裂的关系
• 3.4.2 波前空间频率与焦斑分裂的关系
• 3.4.3 数值计算
• 3.5 小结
• 第四章 离焦光斑特性研究
• 4.1 离焦光场的特点
• 4.1.1 非严格付里叶变换面
• 4.1.2 近场特性与远场特性的过渡区域
• 4.2 影响离焦光斑特性的主要因素分析
• 4.3 离焦量的描述方法
• 4.4 离焦量与焦斑特性的关系
• 4.4.1 离焦量与离焦光斑尺寸的关系
• 4.4.2 离焦量与聚焦过程过孔和堵口的关系
• 4.4.3 离焦量与离焦光斑均匀性的关系
• 4.4.4 讨论
• 4.5 波前畸变与离焦光斑特性的关系
• 4.5.1 波前畸变与离焦光斑尺寸的关系
• 4.5.2 波前畸变与离焦光斑PSD的关系分析
• 4.5.3 讨论
• 4.6 离焦空间滤波器的频谱响应
• 4.6.1 理论分析
• 4.6.2 数值计算
• 4.6.3 讨论
• 4.7 小结
• 第五章 焦斑主动控制方法初探
• 5.1 焦斑主动控制模型
• 5.1.1 焦斑主动控制模型与控制算法
• 5.1.2 爬山法及其相关问题
• 5.2 自适应光学系统的焦斑控制能力
• 5.2.1 自适应光学系统的焦斑控制能力
• 5.2.2 AO焦斑控制能力的实验结果
• 5.3 小结
• 第六章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 附录