从惯性约束聚变系统高功率固体激光驱动器中具有典型意义的大口径激光传输反射镜的装配结构及其面形精度特点出发，对其波前误差进行了精细化建模分析，分别研究了粗糙度、纹波度和轮廓度的波前误差模型。在此基础上，进一步针对如何在装校过程中将装配应力产生的波前误差控制在合理范围内的问题，提出了方均根梯度与峰谷值相结合的波前误差评价和控制方法，并通过实验验证了其可行性，以期为我国神光-III主机装置大口径反射镜装校过程中波前误差控制提供科学指导方法。
激光器 高功率固体激光器 大口径反射镜 波前误差 精密装配 均方根梯度
1 四川旅游学院信息技术系, 四川 成都 610100
2 四川大学电气信息学院, 四川 成都 610064
为了提高惯性约束聚变(ICF)系统中的焦斑质量，达到靶面辐照均匀性的苛刻要求，系统需要采用束匀滑技术。由于连续相位板(CPP)能灵活控制焦斑形状，且衍射效率高等自身特点，得到了极大推荐。在实际使用过程中，由于光学系统中的多种因素可能造成激光束波前畸变，这将影响连续相位板的匀滑效果。建立了全频段波前畸变激光束的传输与远场的关系，给出了86%的能量焦斑尺寸与低频波前畸变峰谷值和连续相位板面形峰谷值比值的关系，以及86%能量焦斑尺寸与低频畸变波前的均方根梯度值的关系。根据该关系，可以找到波前控制的范围。
光学设计 连续相位板 峰谷值 均方根梯度 波前畸变 激光与光电子学进展
2015, 52(7): 072204
在惯性约束聚变系统中, 改进G-S算法设计的连续相位板能够对波前发生畸变的激光进行束匀滑处理, 以改善远场分布。由于连续相位板对不同畸变状态的波前进行处理后的效果不一样, 因此针对连续相位板的束匀滑容差能力进行了系统分析。鉴于畸变光束的传输特性, 采用波前均方根梯度来量化波前畸变量, 定量计算了不同畸变光经过匀滑处理后的远场光强分布情况。并比较了不同入射畸变光通过连续相位板后的远场焦斑顶部均匀性, 结果表明：当入射波前畸变的均方根梯度小于0.32 wave/mm 时, 连续相位板具有很好的束匀滑效果。
连续相位板 容差 波前畸变 均方根梯度 束匀滑 continuous phase plate tolerance wave-front distortion RMS gradient beam smoothing
1 中国科学院 上海光学精密机械研究所,中国科学院强激光材料科学与技术重点实验室,上海 201800
2 中国科学院 研究生院,北京 100049
利用ZYGO Mark Ⅲ-GPI干涉仪对120 mm×88 mm元件镀膜前后进行了面形测量,获得了峰谷值(PV)和均方根梯度(GRMS),并对镀膜前后的PV,GRMS值进行了比较,发现镀膜后PV,GRMS值分别有所增加,同时对两者进行了线性拟合,结果表明两者在一定程度上存在着线性关系,并从理论上进行了模拟论证。同时对个别样品进行了功率谱密度(PSD)分析,发现镀膜后PSD曲线较镀膜前有所升高,这与基片的抛光程度以及镀膜过程有着密切联系。
表面光学 表面形貌 峰谷值 均方根 均方根梯度 功率谱密度
国防科技大学机电工程与自动化学院,湖南,长沙,410073
以发射光学系统为研究对象,假设面形误差为高斯平稳随机过程,建立了光学面形误差均方根梯度(GRMS)与远场靶面上环围能量比(EE)之间的数学关系模型,进行了仿真分析并对实际面形数据做了验证.研究表明,环围能量比随GRMS的增加呈指数衰减;同时面形误差低频和高频部分分别形成远场光强分布的中心核和边缘.在GRMS≤7nm/mm时,理论计算与仿真结果非常吻合.与实际分析结果的比较表明,该数学关系模型是正确的,能够用来分析GRMS对EE的影响.
发射光学系统 面形误差 环围能量 位相误差 均方根梯度
1 四川大学,电子信息学院,光电系,成都,610064
2 成都精密光学工程研究中心,成都,610041
从高功率激光系统中随机相位屏的统计模型出发,分析了其相位噪声及梯度的一阶和二阶统计性质.研究了完全相干光与部分相干光通过随机相位屏后的传输性质,推导得出部分相干光在经过随机相位屏后,其交叉谱密度的期望等于随机相位屏透过率函数的期望与入射光交叉谱密度的乘积.对该模型下的远场分布进行了数值模拟.结果显示,能量对称分布的完全相干光通过相位干屏后,只有通过随机相位屏透过率函数期望的远场分布是对称的;部分相干光在传输通过随机相位屏后,其谢尔模光束性质不会改变,但光强分布不再具有对称性,且强度明显降低.
随机相位屏 均方根梯度 部分相干光 统计光学
采用均方根(RMS)梯度表征的随机相位屏描述光束的低频相位噪声;用随机相位扰动描述中、高频相位噪声,建立了波前相位畸变模型。以Ⅰ/Ⅱ类角度失谐KDP晶体的高强度三次谐波转换为例,详细研究了三次谐波转换过程中,基频光和三倍频光的波前相位畸变之间的定量变化关系。分析了三次谐波转换过程对聚焦光斑形态的影响。研究结果表明,三倍频光的焦斑半径随着基频光低频相位畸变的均方根梯度增大而明显增大,且在均方根梯度较大时,三倍频光的焦斑半径几乎与基频光相近。
非线性光学 三次谐波转换 相位畸变 均方根梯度 焦斑
1 四川大学电子信息学院光电系,成都,610064
2 中国工程物理研究院激光聚变研究中心,绵阳,621900
结合高功率固体激光器的发展,说明了高功率光学元件面形评价参数的产生原因、发展过程及其内在因素.介绍了面形评价参数的现状,并通过讨论各面形评价参数之间的内在联系,说明了现行评价参数的综合性能及发展趋势.
峰谷值 功率谱密度 均方根 均方根梯度 peak-to-valley power spectral density root-mean-square root-mean-square gradient
1 四川大学电子信息学院,光电系,四川,成都,610064
2 中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川,绵阳,621900
根据实际光学元件的畸变波前建立了畸变波前模型,分析了位相均方根梯度计算过程中,三种波前数据处理方式的各自特点及优劣,并得出最佳处理方式,即对波前边缘增添零采样点、加汉宁窗处理、傅里叶变换、低通滤波、傅里叶逆变换、乘上逆汉宁窗,最后截取原始长度的数据.讨论了畸变波前边缘增添零采样点的个数、波前口径、波前抽样间距与均方根误差之间的相互关系.计算证明,对于口径为300 mm×300 mm、抽样间隔为0.5 mm的随机波前,当取截止频率为33 mm-1、初始波前两边分别添14个点即波前尺寸扩大7 mm长时,其均方根误差最小,此时该值为 0.008 λ,恢复的波前最理想,计算所得的位相均方根梯度也最合理.
畸变波前 均方根梯度 均方根误差 抽样间距 Distorted wavefront RMS gradient（GRMS） RMS error Sampling space
1 四川大学,物理系,四川,成都,610064
2 中国工程物理研究院,激光聚变研究中心,四川,绵阳,621900
采用频域分段的方法,对强激光系统的波前畸变进行了理论分析;使用随机相位屏构建低频畸变波前模型,并提出采用迭代算法构建中高频畸变波前模型.使用构建的畸变波前模型作为输入,通过模拟计算,给出了色分离光栅对输入波前畸变宽容度的初步规律.
衍射光学元件 随即相位屏 均方根梯度 功率谱密度 diffractive optical element random phase screen root mean square gradient power spectral density
