惯性约束聚变装置自适应光学技术研究

分类号 密级 UDC 编号 8015108B003 中国科学院研究生院 博士学位论文 惯性约束聚变装置自适应光学技术研究 敖明武 指导教师 饶长辉 研究员 中国科学院光电技术研究所 申请学位级别 博 士 学科专业名称信号与信息处理 论文提交日期 2007. 12 论文答辩日期 2008. 01. 04 培养单位 中国科学院光电技术研究所 学位授予单位 中国科学院研究生院 答辩委员会主席 张雨东 本人申明 本人郑重申明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解中国科学院光电技术研究所有关保留、使用学 位论文的规定，同意中国科学院光电技术研究所保留或向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅；本人授权中国科学院光电技术研究所可以将本学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 （保密论文在解密后应遵守此规定） 论文作者签名：导师签名： / 日期: 摘要 惯性约束聚变装置自适应光学技术研究 摘要 自适应光学技术在提高惯性约束聚变(ICF)装置光束质量方面具有重要作 用，本文针对“神光IIT系列装置的自适应光学系统像差校正方案进行了分析和 研究，为即将建造的“神光nr主机装置自适应光学系统方案提供实验参考和理 论依据。 在“神光nr原型装置现场实验中，分析了“神光nr原型装置输出像差特点， 像差成分主要集中在前15阶Zemike像差，因此自适应光学系统主要目标是校正 低阶Zemike像差。介绍了“神光IIT原型装置自适应光学系统像差闭环校正结果, 结果表明自适应光学技术校正ICF装置像差效果明显。 在“神光nr主机装置方案设计中，将变形镜作为多程放大器腔镜校正系统 输出像差是一种备选方案；此时变形镜的校正能力与多程放大器的结构、系统输 出像差反转器内光束旋转角度和扩束比都有很大关系。本文建立了一个理论模 型，揭示了影响腔镜处变形镜校正能力的各个因素；其中反转器内光束扩束比和 光束旋转角度是影响变形镜校正能力的关键因素；并且证明了变形镜面形与被校 正像差呈一一映射关系。另外验证了在各种结构条件下，直接斜率法可以有效的 控制腔镜处变形镜实现像差校正。该部分工作对最终确定“神光nr主机装置像 差校正方案有参考价值。 提出一种能够校正icf装置全光路像差的新方法，可以弥补传统方法的不 足；该方法利用变形镜调制各种相位插入ICF系统，同时记录相应远场焦斑强度 分布，然后利用近远场信息迭代反演全光路像差。严格的从理论上推导了该方法 相位反演的唯一性条件，证明结果表明，相位反演的唯一性与变形镜调制插入光 学系统的像差类型有关。模拟仿真和原理实验都显示该方法有效，是一种有效的 自适应光学像差测量和校正方法。 关键词：自适应光学，惯性约束聚变，像差，相位反演，多程放大器 作者签名 Abstract The Research of Adaptive Optics Applied in inertial confinement fusion Facility (ICF) Abstract Adaptive optics (AO) plays an important role in improving the quality of laser beam in "ShenGuang ILT ICE This dissertation emphasizes on the AO, and provides the theoretical basis and experiment data for the scheme of "ShenGuang ILT ICF facility based on the investigation about the AO. In "ShenGuang ILF prototype field experiment, the output wave-front aberrations of this ICF system mainly consist of the first fifteen order Zemike aberrations. Therefore the AO system just needs to correct these aberrations. The "ShenGuang ILT prototype is equipped with AO system, the field experiment show that the output aberrations can be corrected properly by the AO system, and so the AO system is a valid equipment for ICF system. A particular AO technique is introduced as a preparative scheme that the deformable mirror (DM) is placed as the cavity mirror of multi-pass amplifier. The expansion ratio of beam, configuration of multi-pass amplifier, beam rotation angle and the types of output wave-front aberrations affect the correction stroke range of DM together. A mathematic model is founded to explain how these factors affect correction efficiency of AO system, and the DM's surface shape one-to-one mapping to output wave-front. In this particular AO system, it is verified that the direct-gradient wave-front control algorithm proper for driving the DM to correct the output aberrations of ICF. A new method is presented to measure the aberrations of entire beam path. In this method, different DM's surface shapes are generated which could bring additional aberrations to ICF optical system and create their corresponding focal spots. And then, the additional aberrations and the different intensity signal of focal spots could be recorded respectively. A phase-retrieval algorithm which is introduced can reconstruct the aberrations of entire beam path from the different pairs of additional aberrations and their corresponding focal spots intensity. The phase-retrieval unique solution condition is deduced by strictly mathematic representation, and the uniqueness depends on the type of additional aberrations are generated by DM. The numerical simulation and experiment results show that this method is valid. Key Words: Adaptive optics, ICF, wave-front, phase-retrieval, multi-pass amplifier. 目录 中文摘要 V 英文摘要 VVV 第一章综述 1 § 1.1惯性约束聚变概述 1 § 1. 2惯性约束聚变激光驱动器计划 3 § 1. 3惯性约束聚变装置激光驱动器的波前畸变 6 1. 3. 1波前畸变的来源 6 1. 3. 2波前畸变的对高功率激光装置的影响以及其控制措施 6 §1.4本文的主要研究内容 8 参考文献 8 第二章典型的ICF装置及其自适应光学系统 11 §2. 1 National Ignition Facility (NIF)装置波前畸变控制系统 11 § 2. 2 Beamlet装置及其波前控制系统 11 § 2. 3 GEKKO XII及其波前畸变控制系统 12 § 2. 4 Laser Megajoules (LMJ)及其波前畸变控制系统 13 § 2. 5本章小结 14 参考文献 15 第三章自适应光学基本原理 16 §3. 1 前言 16 § 3. 2自适应光学系统基本组成 16 § 3. 3波前传感技术 16 3. 3. 1基于干涉原理的波前传感器 17 3. 3. 2基于强度分布反演相位的波前传感器 17 3. 3. 2. 1 G-S相位重构技术 17 3. 3. 2. 2曲率传感技术 18 3. 3. 2. 3基于Zernike相衬法的波前测量技术 19 3. 3. 2.4动态夏克一哈特曼波前测量技术 19 § 3. 4波前校正技术 21 §3.5波前复原算法 21 3. 5. 1模式法波前复原 22 3. 5. 2直接斜率法波前复原 25 §3.6闭环控制模型 27 §3. 7本章小结 28 参考文献 28 第四章神光III原型装置及其波前校正技术 33 §4. 1 前言 33 § 4. 2神光III原型装置概述 33 4. 2. 1前端和预放系统 34 4.2.2主放大系统 34 4. 2. 3主放大器参数诊断光学系统 35 4. 2.4三倍频环节 37 4. 2. 5自适应光学波前校正系统 37 § 4. 3神光III原型装置输出像差特点 40 4. 3. 1原型装置静态像差测量 40 4. 3. 2原型装置动态像差测量 41 § 4.4像差校正性能现场考核 43 § 4. 5本章小结 52 参考文献 52 第五章神光III主机装置波前校正技术研究 54 § 5. 1主机装置主放大系统参考构型及其校正方案 54 5. 1. 1主机装置参考构型 54 5. 1. 2反转器（BRU）的光束旋转与缩束结构 56 §5. 2多程放大器腔镜（CM）处放置变形镜其波前校正能力研究 57 5. 2. 1变形镜作为四程放大器的腔镜时其波前校正能力研究 57 5. 2. 1. 1反转器光束旋转90°时变形镜的校正能力研究 58