狹縫型空間濾波器的光束傳輸特性研究.pdf

1、高功率激光驅(qū)動裝置是激光聚變的重要裝備，而空間濾波器則是高功率激光裝置運行所需的關(guān)鍵器件之一。采用空間濾波器能夠有效地濾除光束中快速增長的中高空間頻率，避免由此造成的小尺度自聚焦現(xiàn)象，提高輸出光束的近場質(zhì)量，保護激光系統(tǒng)中的光學(xué)器件不被局部過高的光強損傷，同時也承擔(dān)著像傳遞和光束口徑匹配等功能。雖然空間濾波器能夠有效提高光束近場質(zhì)量，但其使用也衍生出了其它一些問題，包括等離子體堵孔效應(yīng)、空氣擊穿和鏡面的粒子污染等。為避免上述情況的發(fā)生，

2、空間濾波器往往需要被放置在高真空環(huán)境中以防止空氣擊穿，組成空間濾波器的透鏡焦距也往往很大以降低遠場強度延遲堵孔時間，這就大大增加了高功率激光裝置的規(guī)模和輔助真空設(shè)備的投入以及維護，并降低了系統(tǒng)應(yīng)用的便利性。
　　針對目前空間濾波器所存在的這些問題，本論文應(yīng)用新型的狹縫型空間濾波器來取代高功率激光驅(qū)動裝置中傳統(tǒng)的針孔型空間濾波器。相比針孔型空間濾波器，狹縫型空間濾波器中的遠場強度降低了兩到三個數(shù)量級，能夠在不影響輸出光束質(zhì)量的情況下

3、大大縮短濾波器長度并降低濾波器所需的環(huán)境真空度，從而為建造緊湊型、高可靠性的激光驅(qū)動裝置提供可能。同時本論文也利用狹縫濾波器進行了高功率激光驅(qū)動裝置的主光路設(shè)計，為下一代激光驅(qū)動裝置設(shè)計提供新的思路。本論文主要取得了以下研究進展和結(jié)果:
　　1.提出了“交叉”四鏡結(jié)構(gòu)和“柱-球-柱”三鏡結(jié)構(gòu)等兩種狹縫型空間濾波器。對包括美國利弗莫爾國家實驗室提出的“四柱透鏡”結(jié)構(gòu)和兩鏡濾波結(jié)構(gòu)在內(nèi)的四種狹縫濾波器進行了結(jié)構(gòu)、功能和性能等方面的對比

4、，認為“柱-球-柱”結(jié)構(gòu)和兩鏡濾波結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于聚變激光裝置中，并具有激光裝置規(guī)模小和更好抑制等離子體堵孔效應(yīng)等優(yōu)點;
　　2.結(jié)合瑞利-索末菲衍射積分、透鏡變換公式和多高斯平頂光束，對“柱-球-柱”結(jié)構(gòu)和兩鏡濾波結(jié)構(gòu)中的光束傳輸過程進行分析，從理論上解決了狹縫濾波器像傳遞功能不明確的問題，并引入了系統(tǒng)前焦面和系統(tǒng)后焦面的概念，擴展了對像傳遞系統(tǒng)的認識。通過理論計算、模擬仿真和實驗研究驗證了“柱-球-柱”結(jié)構(gòu)和兩鏡濾波結(jié)構(gòu)的空間濾波

5、、像傳遞和口徑匹配等主要功能，與傳統(tǒng)的針孔濾波器取得了一致結(jié)果。針對兩鏡濾波結(jié)構(gòu)的輸出光束形變問題，模擬研究了兩鏡濾波結(jié)構(gòu)輸出光束的尺寸變化對輸出頻譜的影響，獲得了輸出光束尺寸與輸出頻譜之間的變化規(guī)律并進行了實驗驗證;
　　3.采用“柱-球-柱”結(jié)構(gòu)和兩鏡濾波結(jié)構(gòu)對美國國家點火裝置(NIF)中的傳輸空間濾波器進行了仿真模擬，在保證裝置性能的基礎(chǔ)上，狹縫濾波器可以有效降低裝置的規(guī)模和抑制等離子體堵孔效應(yīng)，從而提高裝置的可使用性和可靠

6、性。仿真結(jié)果表明:采用“柱-球-柱”結(jié)構(gòu)可以使NIF中的傳輸空間濾波器整體長度從原來的60m縮短到28m，遠場峰值強度和狹縫光闌上所受輻照強度可以降低約3個數(shù)量級，在一定程度上可以有效避免堵孔效應(yīng)，濾波器所需的環(huán)境真空度要求可放寬一個數(shù)量級;此外，截止頻率可以從原來的39倍衍射極限降低到30倍以獲得更好的輸出光束質(zhì)量，或者提高到42倍以增加能量透過率。采用兩鏡濾波結(jié)構(gòu)可以將傳輸空間濾波器的總長度縮短到39m，同時將光束的遠場強度降低約兩