强激光光束控制与参数诊断相关技术研究

论文摘要

驱动器是实现可控惯性约束核聚变的关键环节。由于激光脉冲能够产生高能量密度的束流,并具有强相干性,能够在时间、空间上聚焦到ICF所要求的强度,可以成为ICF的理想驱动器。本文针对激光光束控制与参数测量工程中的几个相关问题和关键技术进行了探讨。1.用干涉测量技术来评估激光波前测量系统的装调在强激光波前测量像传递系统中,4-f光传输系统透镜之间装调过程产生的离焦量引入了一个相位调制。首先从实验上测量了像平面处波面横向剪切干涉图样,利用矩阵光学和Collins衍射公式推导出了离焦量和激光波面横向剪切干涉条纹之间的理论关系,并得到了在无离焦情况下激光传输的空域和频域方程。对实验测量得到的干涉条纹空间灰度曲线利用最小二乘法进行了余弦曲线拟合,得到干涉条纹空间尺度,利用理论关系计算得到了离焦量的数值,实现了对像传递系统装调过程的定量描述。本实验方法和结果为激光参数测量系统在线使用状态调节提供了依据和参考。2.分析了离轴四程放大系统前端腔镜准直采用的小孔像传递工作原理激光束的精密准直系统是目前大型激光装置的一项关键技术,针对离轴四程放大系统前端腔镜准直采用的小孔像传递工作原理进行分析,由Collins衍射公式出发,利用矩阵光学理论推导了监视小孔出射光场复振幅分布的描述方程,并设计了腔镜调整的监视光学系统。论文完整地提出了准直流程中的难点—腔镜准直光学监测镜头设计的物理特征描述,并利用图像边缘特征进行腔镜调节的图像处理仿真研究。基于国内惯性约束装置总体对腔镜准直调整流程,针对高功率激光系统腔镜准直过程光斑图像,利用仿真方法定量分析了光斑边缘特征,结合腔镜准直监测单元光传输的特性,使用激光光斑边缘不同部分曲率的相似性和光斑圆形度,实现对腔镜调节的量化评估。3.研究了近远场光斑测量光学系统中的光学瑕疵对图像调制的影响光斑的近场分布是描述大型激光系统光束质量的重要内容。本文从物理光学角度定性的分析了激光近场调制的因素,即入射光束自身的特征分布、光阑效应以及由于衍射效应形成的调制,并进行了一系列模拟计算。在激光光束传输过程中,由于测量系统的瑕疵,会在这个地方产生激光能量密度集中,光学元件易损。针对工程需要,本文设计了一种强激光参数测量系统光学元件瑕疵在线检测的辅助光学系统。在设计中充分考虑了测试系统的使用空间,采用了光阑后置的准远心光路,并用CCD器件来检测。论文对上述研究内容的创新点进行了总结,并对今后的一些研究工作提出了建议。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 受控约束聚变发展简述
• 1.2 惯性约束研究的发展
• 1.3 世界主要的强激光钕玻璃ICF驱动装置
• 1.3.1 美国劳仑斯·利弗摩尔国家实验室（LLNL）的高功率激光装置
• 1.3.2 美国罗彻斯特大学激光力能实验室的高功率激光装置
• 1.3.3 英国的高功率激光装置
• 1.3.4 俄罗斯的高功率激光装置
• 1.3.5 法国的高功率激光装置
• 1.3.6 日本的高功率激光装置
• 1.3.7 中国的高功率激光装置
• 1.4 激光驱动器参数测量相关介绍
• 1.5 课题研究的内容
• 参考文献:
• 第二章 激光近场像传递系统工作状态量化实验及数据处理分析
• 2.1 激光近场传输特征及近场光斑测量方案
• 2.1.1 激光近场传输特征
• 2.1.2 激光近场光强分布测量4-f像传递系统及其装调离焦量
• 2.1.2.1 光束衍射频域传输的矩阵光学描述
• 2.1.2.2 像传递条件下光束空、频域衍射传输描述
• 2.1.2.3 由4-f系统离焦引起的相位调制-理论关系
• 2.2 像传递4-f系统装调离焦量测量方案及测量数据处理
• 2.2.1 测试系统离焦量和横向剪切干涉测量值之间理论关系
• 2.2.2 横向剪切干涉参数选择与测量结果数值模拟
• 2.2.2.1 横向剪切干涉参数选择
• 2.2.2.2 横向剪切干涉测量结果数值模拟
• 2.2.3 离焦量的测量结果与数据处理
• 参考文献
• 第三章 腔镜准直光学监测单元分析设计
• 3.1 腔镜准直技术发展及目前的采用技术
• 3.1.1 腔镜准直技术的发展
• 3.1.2 腔镜准直单元介绍
• 3.2 多程放大的光路腔镜准直监测分析
• 3.2.1 四程放大光路腔镜准直光传输说明
• 3.2.2 四程放大光路腔镜准直光衍射传输模型
• 3.2.2.1 离轴光学系统光衍射传输模型
• 3.2.2.2 离轴单透镜的变换矩阵模型
• 3.3 多程放大的光路腔镜准直监测单元设计
• 3.3.1 多程放大光路腔镜准直监测单元设计结果
• 3.3.2 四程放大光路腔镜准直监测单元评价
• 参考文献
• 第四章 基于图像边缘特征腔镜准直判别方法仿真研究
• 4.1 强激光准直测量典型图像处理介绍
• 4.2 腔镜准直判别方法仿真研究
• 4.2.1 图像预处理
• 4.2.2 图像边界提取和分析
• 4.2.2.1 图像边界提取
• 4.2.2.2 边缘曲线特征分析
• 4.2.3 基于图像边界的腔镜调节
• 4.2.4 基于图像边界的腔镜调节准直完成图像量化评价
• 4.2.4.1 基于图像边界曲率相似度的图像量化评价
• 4.2.4.2 基于图像边界圆形度的图像量化评价
• 参考文献:
• 第五章 激光近场分布测量相关问题研究
• 5.1 光学元件引起的近场光斑近场调制分析模拟
• 5.1.1 平定帽形光束通过光阑的吉布斯现象（Gibbs phenomenon）
• 5.1.2 平顶高斯光束通过硬边光阑的传输
• 5.2 玻璃疵病在线检测光学测量镜头的设计
• 5.2.1 光路结构参数分析
• 5.2.2 光学系统设计
• 5.2.3 平场像和消色差约束条件
• 5.2.4 光学系统像质评价
• 参考文献
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文工作总结
• 6.2 论文工作的不足
• 6.3 工作展望
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢