高功率激光系统中的光束全息控制

论文摘要

用于惯性约束聚变(ICF)研究的高功率激光驱动器是复杂、大型的科学工程，其主要的科学技术问题可归纳为两大类：一是能量转换问题，涉及“能量流”的转移和传递规律，决定了系统的效率和规模，主要是“量”的问题；其二是激光束控制问题，涉及“信息流”——激光光场各参数在输运过程中的变化规律和控制技术，决定了系统的性能参数和指标，主要是“质”的问题。 本论文着重于高功率激光系统的光束控制研究。以表征激光束特性的时间、振幅、光谱、位相等四个信息参量为对象，创新性地研究了脉沖时域整形技术、光强空间整形技术、光谱角色散技术和波前控制技术。首次提出并实现了啁啾脉冲堆积型的时间波形任意整形；液晶光阀可编程光强空间整形；特殊光栅光谱角色散焦斑束平滑和小尺度波前畸变的探测和补偿，从而对高功率激光系统的激光束实现了高精度、可编程、有效的“全息”控制。为提升新一代高功率激光系统的技术水平和性能指标提供了科学技术的支持。相关研究成果已撰写论文10余篇，授权专利1项。 本论文的主要内容与研究成果如下： 1、基于光学方法实现激光脉冲波形时域整形的研究 提出以啁啾脉沖堆积方法实现激光脉冲波形高精度整形的技术路线。对脉冲堆积时域整形的基本理论进行了详细的分析研究，实验研究了技术的可行性、方法和相关工程技术，获得了稳定的高精度可编程整形脉冲。为解决堆积脉冲的噪声问题，还开展了脉冲平滑滤波技术的研究。已成功地与实际运行的激光装置的前端系统进行了联机实验。 该项研究成果有助于使我国在脉冲时间波形的精确控制能力和技术水平上达到国际先进水平，将被采纳为我国新一代高功率激光系统神光Ⅲ的主脉冲成形方案。 2、激光束近场空间分布控制技术研究 提出利用液晶光阀空间光调制技术实现激光束近场空间分布的自动反馈、可编程控制的技术方案。研究了液晶光阀对高功率激光束空间整形的基本原理：实验研究了液晶光阀的强度调制特性、附加位相调制特性、附加高频调制特性、透过率稳定性和整形光束的空间传输特性；以及自动反馈控制的模型和方法，开发了控制软件。并在国际上首次成功地应用于激光聚变高功率激光系统中(神光Ⅲ原型装置)。3、激光脉冲光谱控制技术及应用研究 研究了高功率激光光谱色散平滑的基本理论，提出利用堆积啁啾脉冲的周期性光谱调制特性和新颖特殊光栅实现光谱角色散和激光束远场焦斑的时间平滑。建立了啁啾脉冲堆积的光谱调制模型并推导了其色散关系；提出并设计了圆光栅、星光栅、阵列型光栅等特殊光栅；数值模拟了的束平滑效果。结果表明平滑效果优良，具有实际应用的潜力。此外；对高功率激光系统中相位调制的边带失衡问题进行了研究并经实验验证，已应用于工程实践中。 4、激光束波前控制技术研究 提出利用级联液晶光阀空间光相位调制器和菲涅尔波带片阵列波前探测技术实现对激光束小尺度波前畸变进行控制的原理、方法和技术。 研究了高功率激光束的小尺度畸变波前的传输特性及其对高功率激光系统的影响；对液晶空间光调制器控制小尺度波前畸变的可行性进行了分析；用光学径向剪切干涉法和阵列菲涅耳波带片波前分割法检测小尺度畸变波前。实验验证了这一波前控制的可行性，达到了对小尺度波前畸变进行有效控制的目的。 本文的主要创新点归纳如下： 1．首次提出并实现了基于全光学方法、利用啁啾脉沖堆积技术实现激光脉冲波形高精度整形的原理、方法和技术； 2．首次提出并实现了在高功率激光系统中利用液晶光阀空间光调制技术实现激光束近场空间分布的可编程、自动反馈控制的原理、方法和技术； 3．首次提出利用周期性啁啾堆积脉冲和新颖的特殊光栅实现“一维”光谱角色散焦斑时间平滑的技术原理，理论模拟表明其效果相当好，某些结果可以与三维光谱角色散比美； 4．首次提出并实现了在高功率激光系统中利用级联液晶光阀空间光相位调制器和菲涅尔波带片阵列波前探测技术实现对激光束小尺度波前畸变进行控制的原理、方法和技术。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 激光聚变的一般概念
• 1.2 高功率激光系统概况
• 1.3 脉冲时域整形技术
• 1.3.1 ICF物理对脉冲产生系统的要求
• 1.3.2 脉冲产生系统的发展现状
• 1.4 光束近场空间分布控制技术
• 1.5 光谱控制技术及其应用
• 1.6 光束近场波前控制技术
• 1.7 本论文的研究内容和目标
• 第二章 基于光学方法实现激光脉冲波形时域整形的研究
• 2.1 脉冲堆积时域整形的基本理论分析
• 2.1.1 脉冲堆积的基本原理
• 2.1.2 两路脉冲堆积的分析
• 2.1.3 四路脉冲堆积的分析
• 2.1.4 更多路脉冲堆积情况分析
• 2.1.5 脉冲堆积中误差分析
• 2.1.6 多路（大于四路）脉冲堆积总结
• 2.2 脉冲堆积时域整形的实验研究
• 2.2.1 实验方案
• 2.2.2 系统单元实验内容及结果
• 2.2.3 系统集成联机实验内容及结果
• 2.3 脉冲平滑滤波研究
• 2.3.1 设计原理
• 2.3.2 技术方案分析
• 2.3.3 测试数据及图象
• 2.4 啁啾脉冲堆积技术
• 2.4.1 啁啾脉冲堆积的基本原理
• 2.4.2 啁啾脉冲堆积实验研究
• 2.5 本章小结
• 第三章 激光束近场空间分布控制技术研究
• 3.1 液晶光阀空间整形的基本原理
• 3.2 液晶光阀空间整形的实验研究
• 3.2.1 液晶光阀强度调制特性
• 3.2.2 附加位相调制特性
• 3.2.3 附加高频调制
• 3.2.4 整形光束空间传输特性
• 3.2.5 稳定性研究
• 3.2.6 应用系统研究
• 3.3 光束近场分布自动反馈控制研究
• 3.3.1 液晶自动补偿物理模型设计
• 3.3.2 自动补偿软件的开发
• 3.3.3 模拟与实验结果
• 3.4 反射式液晶光阀用于空间整形的初步研究
• 3.4.1 反射式液晶光调制器调制特性的理论计算
• 3.4.2 实验研究
• 3.4.3 讨论
• 3.5 本章小结
• 第四章 激光脉冲光谱控制技术及应用研究
• 4.1 光谱色散平滑技术的基本理论
• 4.1.1 光谱色散平滑技术的结构和原理
• 4.1.2 啁啾脉冲堆积模型和色散关系推导
• 4.2 调频脉冲光谱色散平滑特性的数值模拟
• 4.2.1 SSD的数值模拟
• 4.2.2 啁啾脉冲堆积束平滑方法的数值模拟
• 4.3 采用特殊光栅的束平滑技术探讨
• 4.3.1 圆光栅
• 4.3.2 星光栅
• 4.3.3 阵列型光栅
• 4.4 相位调制边带失衡问题研究
• 4.4.1 研究的对象
• 4.4.2 相位调制原理与边带失衡
• 4.4.3 数值模拟与优化设计
• 4.5 本章小结
• 第五章 激光束波前控制技术研究
• 5.1 激光束波前控制的基本原理
• 5.1.1 激光束小尺度畸变波前的传输特性研究
• 5.1.2 液晶光阀波前控制的基本原理
• 5.1.3 采用光学径向剪切干涉法的激光小尺度畸变波前检测研究
• 5.1.4 阵列菲涅耳波带片波前分割法小尺度畸变波前检测研究
• 5.2 激光束小尺度波前检测与控制分析
• 5.2.1 小尺度畸变波前及其对高功率激光系统的影响
• 5.2.2 小尺度畸变波前检测可行性分析
• 5.2.3 液晶空间光调制器控制小尺度波前可行性分析
• 5.3 激光束波前检测与补偿实验研究
• 5.3.1 激光波前检测实验光路系统及实验结果
• 5.3.2 小尺度波前检测实验研究
• 5.3.3 液晶空间光调制器小尺度波前补偿实验研究
• 5.3.4 双液晶空间光调制器小尺度波前补偿实验研究
• 5.4 本章小结
• 第六章 全文总结
• 6.1 论文的主要研究内容
• 6.2 论文的主要创新点
• 6.3 本论文的不足和今后的努力方向
• 参考文献
• 作者简历及攻读博士学位期间发表的论文
• 作者攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢