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高功率激光装置中终端光学系统的设计

导读: 分析表明非球面的一次反射鬼点最具威胁,大角度衍射和倾斜平面反射使大量鬼点向系统外部移动,并增大鬼光束的像差,减小其危害。这种方法可以以动态数据结构捕捉全部鬼点,并获得鬼光束结构。

  本文基于光传输的多叉树原理,研究了用于惯性约束聚变的高功率激光装置终端光学系统中多级衍射和多次反射杂散光与鬼点分布,根据光线经色分离光栅的传播规律进行了实际鬼光路计算,对聚焦透镜、色分离光栅、防护片组成的光学系统产生的杂散光及会聚鬼点进行了全面分析,得出三次谐波鬼点620个,二次谐波和基频光的会聚鬼点相对较少。分析表明非球面的一次反射鬼点最具威胁,大角度衍射和倾斜平面反射使大量鬼点向系统外部移动,并增大鬼光束的像差,减小其危害。这种方法可以以动态数据结构捕捉全部鬼点,并获得鬼光束结构。

  用于惯性约束聚变的高功率激光装置靶场系统是激光驱动器的终端,完成对注入的基频光实现三次谐波转换、光束的谐波分离、三倍频谐波取样测量以及聚焦打靶等物理过程。通常利用非球面透镜对三倍频光实现良好聚焦,而对于测量光的取样可有多种方法,如利用打靶透镜光束输出面的残余反射光反向传输并会聚实现取样等。这类系统由于没有衍射元件,其杂散光分析相对简单,可以利用光线二叉树捕捉全部有害光束。该方法自2002年首次发表后,已成功应用于高功率激光系统等多种系统的杂散光分析中。为了优化系统的结构,美国的国家点火装置(NIF)采用了一套集聚焦打靶和三次谐波取样为一体的系统作为终端光学系统(FOA),以大口径衍射光栅作为三倍频光的取样光栅。由于终端系统存在基频光、二倍频光和三倍频光,根据三倍频光取样的要求所设计的衍射光栅对于这几种光都存在多级透射和多级反射,而其前后的常规元件也会存在残余反射,它们在通过衍射光栅时又会有多级透射和多级反射,使这部分系统的杂散光非常复杂,难以简单地使用光线二叉树来分析。

  文中采用了基于光传输多叉树原理的分析方法,可以在一棵光线树中表示出多级衍射和多次反射同时存在时的鬼光束传输路径,给出各级衍射光产生鬼像的位置,为系统优化设计和安全运行提供依据。

  1、杂散光与鬼点分析原理

  1.1、多级衍射与多次反射光的多叉树结构

  衍射元件使一条入射光变成多条出射光,如果入射光作为父光线,则多条出射光为子光线,因而可以建立光线多叉树,如图1所示。

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