强激光与粒子束
2023, 35(3): 032001
红外与激光工程
2020, 49(12): 20201074
中国工程物理研究院激光聚变中心，四川 绵阳 621900
在大型激光系统的运行过程中，为了对相位畸变导致的焦斑分布不均匀进行改善，在光路通常会使用连续位相板(CPP) 来进行远场束匀滑。根据CPP 面型的随机特性，利用统计的方法对位相板与畸变波前相位的叠加特性进行了计算，系统研究了连续位相板对光束波前分布实现控制的机理。从CPP面形的概率密度与远场直方图之间的关系出发，推导了畸变波前通过CPP 后远场光强分布的表达式，从理论上解释了这种束匀滑器件的工作原理及特性。通过数值模拟计算了不同畸变光束经过CPP后的远场直方图，对结果进行比较并分析了不同面型特性对最终束匀滑效果的影响。结果证明：位相板能在焦斑光强上起到卷积滤波的作用，从而实现光束匀滑效果。从原理上解释了CPP 在具有小相关长度时具有更高匀滑效果这一特性，为实际面型设计和优化提供理论基础。另外，应用统计几何光学方法进行分析，可有效降低波前叠加分析的难度。
连续位相板 统计特性 相位叠加 束匀滑 continuous phase plate statistics character phase additive beam smoothing 红外与激光工程
2020, 49(9): 20190515
1 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心, 北京 100049
激光辐照靶面产生的后向受激布里渊散射(SBS)光经连续相位板(CPP)调制会产生衍射强值并对光学元件造成损伤。利用建立的SBS激光后向近场衍射传输模型及菲涅耳衍射理论,分析并数值模拟了衍射距离、CPP设计参数和应用位置等参量对近场衍射调制的影响。结果表明:在一定范围内,近场调制度随衍射距离的增大而迅速增强;CPP相位幅度、最小空间周期和频谱控制均会影响近场调制,其中相位幅度的影响较大;倍频CPP对近场调制的影响小于基频CPP对近场调制的影响。CPP后向近场衍射传输分析有助于理解相位型光学器件的近场光强分布,对高功率激光系统中光学元件的排布及CPP的优化具有指导意义。
衍射 连续相位板 受激布里渊散射 近场调制 惯性约束聚变 光学学报
2020, 40(22): 2205001
1 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
结合非线性强度和相位调制作用,研究束匀滑相位板整形焦光斑在焦面附近传输变换的特性。采用衍射光学理论方法来计算三维空间离焦面上的光场分布,引入光斑落点漂移和光强对称度两个指标参量来表征光斑在传输演化过程中的性能。研究分析了高通量激光辐照下非线性效应对连续相位板整形焦斑的影响,尤其是楔形透镜厚端和薄端的较大差异引起的小尺度自聚焦强度调制差异,该差异使得光斑传输至焦点后的一段距离后开始渐渐偏离光轴,同时其整体强度分布也出现不对称度偏置。结果表明,非线性强度畸变的影响远大于相位畸变的影响,在给定激光装置光路中5 GW/cm
2功率密度的入射条件下,焦点后4 mm处光斑落点漂移超过0.1 mm,光强左右不对称度偏置达到30%。
激光光学 光束合束 束匀滑 连续相位板 衍射光学 小尺度自聚焦 光学学报
2018, 38(10): 1014003
1 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
为了提高聚焦光束质量,针对高功率激光驱动器的连续相位板(CPP)进行设计,改进了传统盖斯贝格-撒克斯通(G-S)算法的设计。设计基于分步分段控制相位板频谱的目标,约束初始相位的选取,保留带有目标焦斑低频信息的初始相位信息,在迭代过程中适当控制中高频信息。实验结果表明,相对于传统随机连续初始相位,改进后CPP作用下的焦斑顶部光强方均差误差(RMS)能更快地收敛到目标阈值。改进的初始相位不仅避免了G-S算法可能产生局部最优的问题,而且也能很好地应用于非对称焦斑的设计。
光学器件 光束质量 连续相位板 盖斯贝格-撒克斯通算法 初始相位
针对惯性约束聚变装置中多色光谱色散匀滑技术在集束中的运用, 提出了对电光调制器、色散光栅和连续相位板(CPP)等主要单元器件进行独立设计和优化的思路。基于这一思路, 分别模拟和分析了电光调制器、色散光栅和CPP等单元器件的参数对集束辐照特性的影响。提出了优化的多色光谱色散匀滑方案参数, 并仿真了束匀滑参数对激光束纵向成丝特性的影响。结果表明,通过优化不同子束的电光相位调制器和色散光栅参数,可以进一步改善靶面的辐照均匀性。当集束中各子束采用不同的CPPs时, 焦斑均匀性得到有效改善, 热斑比例明显降低。采用功率谱密度对激光束的光束质量进行分析, 结果表明多色光谱色散匀滑方案能有效降低峰值强度, 使光强分布更加均匀, 从而有利于抑制激光束成丝。
激光光学 多色 调制频率 色散光栅 连续相位板 均匀性
国防科技大学 机电工程与自动化学院 超精密加工技术湖南省重点实验室, 湖南 长沙 410073
针对小特征尺寸连续位相板中频段成分分布广、误差梯度大的面形特点, 分析了离子束修形技术加工连续位相板过程中影响加工精度的几种因素, 包括扫描步距、材料去除方式、定位精度和材料去除量求解。分析指出: 根据采样定理确定去除函数的扫描步距可实现对不同尺寸特征单元的有效加工; 进一步优化材料去除方式能够确保修形过程中驻留时间的平稳运行, 实现全频段误差一致收敛。另外, 采用面形匹配方法对测量误差进行校正实验, 可获取准确的面形材料去除量; 而采用提高去除函数定位精度的方法可显著提升小尺寸特征单元的加工精度。基于研究结果, 在消除各种工艺误差的基础上, 采用离子束修形技术对特征尺寸小至1.5 mm, 面形峰谷值小于200 nm, 面形梯度高至1.8 μm/cm的连续位相板进行了高精度加工, 结果显示: 加工面形与理论面形的匹配精度达到8.1 nm (RMS), 证实了误差分析的准确性。
连续位相板 离子束修形 误差分析 面形匹配 定位精度 Continuous Phase Plate (CPP) ion beam figuring error analysis surface matching positioning precision 光学 精密工程
2016, 24(12): 2975
北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100094
为深入研究黑腔内激光成丝不稳定性产生和发展, 建立了空间束匀滑光束的传播模型, 利用三维激光等离子体相互作用程序LAP3D模拟了黑腔物理条件下的大尺度成丝现象。模拟结果可正确描述成丝后光强的束发散现象及谱空间光强分布特征。从激光能量参数角度分析了导致成丝不稳定性发展的物理因素, 并讨论了应用空间束匀滑技术抑制成丝不稳定性的局限性。研究表明: 空间束匀滑光束发展成丝的能力取决于光斑内小焦斑的成丝表现, 当具备成丝能力的小焦斑份额达到一定比例后, 就会导致整个空间束匀滑光束成丝, 因此对于光斑平均功率密度较高的光束, 须考虑结合其他束匀滑手段来抑制成丝发展。
惯性约束聚变 连续相位板 激光成丝 inertial confinement fusion continuous phase plate laser filamentation 强激光与粒子束
2016, 28(11): 112004
中国工程物理研究院激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
最小空间周期是连续位相板(CPP)设计和加工过程中的重要特征参数。根据惯性约束聚变大型激光驱动装置的需求，建立不同空间周期的CPP设计与分析方法，研究了不同最小空间周期对磁流变加工和焦斑性能的影响。结果表明，磁流变加工的去除函数尺寸直接与CPP的最小空间周期成线性关系，而加工去除量与最小空间周期的平方根成线性关系，最小周期越大，加工越容易，但加工量越大；焦斑整形性能受最小空间周期的影响小，能量集中度差异小于0.2%，但焦斑顶部均匀性随着最小空间周期变小而变好，5 mm 最小周期CPP的焦斑顶部不均匀比15 mm 的CPP小3.5%。因此，设计时应尽量减小最小空间周期，但选取的最小空间周期不能大于加工设备的约束条件。
光学器件 连续相位板 焦斑 最小空间周期 光束匀滑 惯性约束聚变
