透射衍射光栅内全反射级次

当前高功率激光装置系统中,国内使用透射式衍射光栅进行光束采样,国外甚至使用光栅聚焦并同时结合谐波分离和采样功能.高功率激光辐照下,除了0级透射打靶光以及目标取样光外,其他级次衍射光的影响也不可忽视,可能造成诸如鬼像聚焦破坏、时间脉宽测量不稳定、近远场测量噪声等问题.尤其是透射衍射光栅内部全反射级次会导致光栅出射一系列规律的衍射花样,造成上述干扰和危害.首先理论上针对透射式光栅(包括取样光栅和聚焦光栅)进行了相应的计算和分析,然后从实验上观察并测量了取样光栅内部全反射级次的现象,并且结合镀减反膜前后的衍射现象进行了讨论,最后分析并给出了如何消除或规避全反射级次和其他冗余级次影响的方法.

衍射波导用于大视场角的物理问题

衍射光栅已在波导中得到广泛应用,能将光束或图像从耦入端传输并在预定位置耦合输出,不过在应用于诸如增强现实/虚拟现实等大视场角(field of view,FOV)、彩色光源时会存在FOV不匹配、视场缺失、出射不均匀等问题.故从这些物理问题出发,推导出衍射波导的FOV上限、视场完整的理论边界公式,在此基础上再分别针对单色波和复色波进行深入研究.得出单层衍射波导在常规高折射率n=1.75条件下,支持单色波FOV理论上限约48°,支持复色波颜色系数q=1.3的FOV理论上限26.4°,更大FOV就需要配置更高折射率和更小q值.视场完整性的边界条件表明,减小长波的最大衍射角和减薄波导厚度就能解决视场缺失的问题,实用最大衍射角一般不超过75°,波导层厚度根据FOV大小一般在0.5-1.0 mm之间.最后提出将各全内反射视场展开为光线追迹图的方法和瞳孔均摊接收各角度光能的分布函数,就此可求解光栅耦出区的最佳位置,并利用分布函数的倒数来约束投射光的角分布或者光栅效率的角分布,以在任意位置都能接收均匀出射视场:单色波导的均匀性从0.27提高到0.15,单光栅复色波导中长波均匀性从0.40提高到0.28.这些研究结果有助于解决衍射波导用于大FOV和复色光的难题.

超声波辅助酸蚀提高熔石英损伤阈值

为了提高熔石英元件表面抗激光损伤阈值,利用超声波辅助HF酸研究平滑光学元件表面缺陷形貌和去除刻蚀后残留物效果,通过扫描电子显微镜电镜和原子力显微镜记录表面形貌结构,以及单脉冲激光辐照测试抗损伤阈值确定实验参数。研究表明,超声波场的引入能催化HF酸的刻蚀速率、提高钝化效果并且更易剥离嵌入的亚μm级杂质粒子。经过实验测试,获得了熔石英类元件相匹配的超声辅助HF酸刻蚀实验参数,研究结果对应用超声波辅助HF酸研究熔石英表面抗激光损伤有重要意义。

离子束刻蚀工艺误差对DOE器件的影响

针对衍射光学元件(DOE)的离子束刻蚀工艺,结合掩模套刻过程实例,本文提出了刻蚀误差面形分布的概念。在标量衍射的夫琅和费原理上,进行了误差数值模拟分析及讨论。模拟分析和实验数据结果表明,误差的面形分布在DOE器件的衍射焦斑中心会产生一个明显的光强畸变毛刺亮点,严重破坏了靶场照明的均匀性。

并行模拟退火算法优化衍射光学元件设计

模拟退火(SA)是解决复杂非线性优化问题的好工具,开发其并行性也成为近些年的研究热点和方向。针对衍射光学元件(DOE)的束匀滑应用,结合消息传递接口(MPI)并行编程方法,开发并实现了具有良好收敛效果和并行效率的SA算法。在8个中央处理器(CPU)的小型并行计算平台上进行了入射口径310mm、出射20阶超高斯0.4mm×0.8mm聚焦光斑的优化设计,使用不到原来1/6的时间就能获得比原串行算法更好的匀滑效果,从而验证了该并行SA算法的快速有效性。

高能量效率的大口径多台阶衍射光学元件

在高功率激光装置的束匀滑元件应用中,如何提高焦斑的能量集中度,是系统的一大关键难题,尤其是对于具有台阶相位突变的二元光学元件.本文最近的研究表明,通过抑制高衍射级次的能量损失,多台阶相位板既能提供很好的均匀焦斑,又能集中绝大部分能量于其中.后续的理论分析和实验测试论证了此改进方案,由此获得超过90%能量利用率的匀滑焦斑不再是大口径(>100mm)多台阶衍射光学元件无法逾越的障碍.

在神光Ⅱ装置第九路系统开展351nm波长激光高通量传输的实验研究

提出一种可实现351 nm波长激光高通量传输的终端光学组件（FOA）的物理设计方案,研究了设计优化方法,并利用神光Ⅱ装置第九路系统开展了实验研究。实验共进行了33发激光发射：激光光束净口径310 mm,时间脉冲宽度3 ns,1053 nm波长激光能量1000~4500 J。实验获得最高三次谐波转换效率69.6%和351 nm波长激光传输通量3.76 J/cm2,同时监测到高通量激光传输引起的动态环境污染物颗粒变化数和光学元件激光诱导损伤等现象。实验结果表明,通量密度约为3 J/cm2@351 nm的光学元件损伤主要是由激光传输散射鬼光束辐照材料所激发的污染物所致。

均匀照明用衍射光学器件的空间频域优化设计方法

为改善衍射光学器件(DOE)在均匀照明系统中的应用性能,提高元件优化设计的效率,提出了衍射光学器件的空间频域优化设计方法。基于对均匀照明系统焦面输出光强分布的空间频谱分析,从空间频域的角度,指出通过控制焦斑中的低频调制成分,能够进一步提高实际均匀照明的效果。在此基础上,该优化方法通过在频域内设定优化目标和费用函数,来确定优化方向,可以有效减少输出光强分布中的低频调制成分。应用该方法所得一维多台阶相位型衍射光学器件的设计结果表明,在考虑空间20μm匀滑后,焦斑主瓣光强均方差为3.3%。与已有空间域优化方法的对比表明,在元件实用效果方面,空间频域优化设计方法优于空域方法。

多台阶衍射光学元件的工艺优化

通过对多台阶衍射光学元件(MDOE)刻蚀工艺中的误差分析,提出了一个反映整体刻蚀误差的参数———误差偏度.重点研究了误差偏度的变化对多台阶衍射光学元件光束整形效果的影响,发现在误差偏度曲线中存在一个能使刻蚀误差影响减弱的平坦区间.提出了在刻蚀工艺上以控制刻蚀深度来改善多台阶衍射光学元件器件实际照明效果的一种方法.实验结果表明,经过工艺优化后的MDOE的光场参数峰值(PV)下降了近30%.

神光II升级系统中束匀滑对三倍频的影响分析

基于非线性耦合波方程分析了神光II升级系统中束匀滑技术对三次谐波转换过程的影响。模拟结果显示:400μm焦斑所采用的连续相位板将引起1.4%左右的效率下降,近场对比度增加量约为0.02,均在可接受范围内;但当焦斑达到800μm时将会引起6%左右的效率下降,并导致近场对比度增加近0.05,无法兼容目前系统设计,必须进一步优化连续相位板设计方案;而谱色散匀滑技术引入光谱展宽达到60GHz时将引起5%左右的效率下降,且会引发明显的时间纹波扰动;但是谱色散匀滑引入的空间角谱扫描并不会明显影响谐波转换效率,因此在高通量运行时,需要适当减小调制带宽以提高谐波转换效率和系统的稳定性。

分布式相位板联合二维谱色散匀滑的实验研究

在神光II九路装置上,利用谱色散匀滑(SSD)技术结合分布式相位板(DPP)技术,研究了激光焦斑在一维、二维谱色散匀滑下的分布。结果表明,一维谱色散匀滑使焦斑的焦斑通量对比度由0.7634[均方根(RMS)]下降到0.3685(RMS),结合二维匀滑下降到0.2638(RMS);并结合各种评价方法对焦斑进行分析。实验为谱色散匀滑技术在神光II在线应用提供了参考。

基于模拟退火算法的透镜列阵优化设计

透镜列阵常被用于改善高功率激光装置均匀照明系统焦斑空间强度分布的均匀性。将模拟退火算法引入透镜列阵的优化设计中,通过改变列阵元的尺寸及其正负透镜属性,在保证焦斑能量利用率的同时把焦斑的不均匀度从经典设计下的0.2268降低到0.1202,大大改善了远场焦斑的空间均匀性,并通过对比传统设计和优化设计下焦斑的功率谱密度曲线,分析了不同的设计结构对焦斑形态的影响。

光谱色散和分布式相位板联用对靶面辐照均匀性的改善

通过对分布式相位板和光谱色散匀滑技术联用的模拟计算,分析了联用实验中焦斑的变化,论证了非设计采样点光强的不可控性对焦斑匀滑质量的损害。模拟结果证实了光谱色散匀滑技术对色散方向上的焦斑均匀性的改善,焦斑不均匀性由58.30%降为19.50%。通过分析焦斑不均匀性与光谱色散匀滑积分时间的关系,发现5~6个光谱色散匀滑调制周期时得到最优匀滑效果。对焦斑频谱的分析显示,光谱色散匀滑技术可以有效抑制由非设计采样点光强引入的高频成分,26.3μm内的光强调制被平滑,同时很好地保持了由分布式相位板决定的焦斑低频包络,在实验与模拟中均得到很好验证。为进一步的分布式相位板与光谱色散匀滑技术联用设计提供了理论依据。

高功率激光光场耦合的准直光学系统

为适应高功率激光系统的紧凑空间需求,将基于二阶鬼像的远近光场耦合方案应用于高功率激光准直技术中,设计并搭建出灵敏的小型准直光学系统。提出完备的测试方案,验证了该方案的可行性,获得近场测量灵敏度为7.04μm/pixel,远场测量灵敏度为18.14(″)/pixel,并得到远场变化对近场的影响关系,用以优化光束校准。相比于传统远、近场分离的准直系统,该方案在满足成像质量和分辨率要求的同时,大幅缩减了光路和器件数量,远、近光场相互影响和校准的反馈处理更便捷。

全频分段控制下连续相位板的优化设计

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。

非线性调制影响束匀滑相位板离焦性能的研究

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5GW/cm2功率密度的入射条件下,焦点后4mm处光斑落点漂移超过0.1mm,光强左右不对称度偏置达到30%。

连续相位板对靶面SBS激光后向传输特性影响研究

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。

基于局域信号增强的光学元件损伤检测

为实现高功率激光驱动器中大口径光学元件表面疵病的低漏检率识别,针对微弱疵病的低信噪比特点,提出了改进的局部信号强度比自适应检测算法。利用信号图像中疵病与邻域非疵病区域的信号强度差异,构造了一类滤波模板对信号图像进行自适应局域增强,可有效提高疵病信号强度值和显著增强信号图像的疵病信噪比。对种子图像进行种子点的筛选与自适应区域生长,并进行精确提取完成损伤区域的完整分割。改进后的局部信号强度比算法能有效识别低信噪比微弱疵病,在全内反射暗场侧向照明成像条件下,可识别出约30μm的疵病坏点。与现有的局部信号强度比算法相比具有更低的漏检率,结果表明等价圆直径在50μm以上的损伤点的漏检率低于0.4%。

Experimental investigation on beam smoothing by combined spectral dispersion and lens array technology

The experimental performance of beam smoothing by combined one-dimensional （1D） spectral dispersion and lens array （LA） technology is presented, as applied in the ninth beam of SG-II. Using 3w spectral dispersion with a bandwidth of 270 GHz and a line dispersion that is 24.9 times the beam＇s diffraction- limited width decreases the focal spot non-uniformity of 80% energy concentration from 46% to 17%. The multiple-beam interference properties of the LA are theoretically and experimentally validated by spatial power spectral density analysis. Peak-spectra suppression ratios of 20 and 10 dB are achieved in the dispersion and orthogonal directions, respectively.