神光_升级装置远场准直系统研究

位置和基准的高精度离轴取样 ． 为了实现用光 栅 提 供 系 统 绝 对 基 准 的 功 能， 在 我们采用选择性的刻蚀与不刻 光栅的制作过程中， 蚀一定区域， 制 作 出 如 图 2 （ a ） 所 示 的 光 栅， 图中 4 个小圆点为非 刻 蚀 区， 其 他 为 刻 蚀 区． 利 用 其 1 级 衍射光进行成像后， 会 得 到 如 图 2 （ b） 所 示 的 效 果． 刻蚀区有衍射能量 进 入 成 像 系 统， 其像面表现为亮 区， 非刻蚀区因不产生衍射， 其像面表现为暗区 ． 我 们把处于 对 角 线 位 置 的 两 组 小 圆 圆 心 构 成 的 直 线 交点作为远场的绝对基准点 ． 图 3 给出了远场取样系统的设计原理图， 实线表 示主激光及其衍射光， 虚线表 示 LED 照 明 光 及 其 衍 射光 ． 为了实现主激光焦斑和绝对基准的同时成像， 必须使主激光 1 级衍射光和照明光 1 级衍射光方向 完全重合， 同时必须满足成像质量的要求 ． 这就要求 选取合适的照明光源和光栅参数 ． 考虑到系 统 对 成 像质量和 光 束 方 向 性 的 要 求， 我们选用中心波长为 940 nm ， 功率为 1 W 的 LED 作为光栅基准的照明光 源 ． LED 光源具有窄带 、 非相干性的 特 点， 能很好满 足系统的要求 ． 光栅选用 322 刻线， 即栅距为 3. 1 μm 的透射式衍射光栅 ． 光栅的衍射公式为 d （ sin θ o ± sin θ i ） = k λ ， （1） λm d d 为栅距 ． 对于主激 其中 θ i 为入射角， θ o 为衍射角， 光， 其入射角 θ im = 0 ， 对应的衍射角 θ o m = arcsin
殊设计的光栅， 利用光栅的衍射特性， 实现对远场的 在线取样；同时， 光栅刻有定位基准， 可以在光致二极 管（ LED ） 照明系统和成像系统的帮助下给出系统的 远场绝对基准 ． 通过反馈控制系统调整远场 控 制 反 射镜 M 2 ， 使焦斑的中心和光栅的基准中心重合， 即完 成远场准直 ． 以上过程均基于同一个前提：光栅基准 中心和滤波小孔中心完全重合 ．
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和国家点 火 装 置 NIF
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、 法国的兆
焦耳 级 激 光 装 置 LMJ 以及神光 Ⅲ 装置
、 我国的神光Ⅱ升级装 ， 正在向模块化 、 智能化
的方向发展 ． 自 动 准 直 系 统， 尤其是远场自动准直 是保证该类型驱动器正常运行的关键子系 系统， 统 ． 远场准直系统的精度和可靠性不仅是保证打靶 精度的关键 所 在 要因素 ． 为了满足神光 Ⅱ 升 级 装 置 的 设 计 要 求， 我们摒 的 准 直 方 式， 利用光 弃了神光 Ⅱ 原有的“以动 制 动 ” 栅的衍射特性， 设计 并 实 现 了 基 于 光 栅 取 样 的 全 新 模块化的远 场 准 直 系 统 ． 本 文 首 先 介 绍 了 此 系 的、
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物 理 学 报
Acta Phys． Sin．
Vol． 60 ，No． 6 （ 2011 ）
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= arcsin
1. 053 1
求得 LED 照 明 光 入 射 角 θ iz = arcsin （ －
λ LED － d
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神光 Ⅱ 升级装置远场准直系统研究
高妍琦 朱宝强

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刘代中 彭增云 林尊琪
201800 ）
（ 中国科学院上海光学精密机械研究所， 高功率激光物理联合实验室， 上海 （ 2010 年 6 月 30 日收到；2010 年 8 月 9 日收到修改稿）
图1
准直系统
系统准直可以分为 5 个步骤进行 ． 1 ） 确 定 光 栅 基 准 位 置， 作为系统远场绝对基 通过调 节 准 ． 利用 LED 照明和远场成像系统取样， 光栅基准位置使光栅基准和系统光轴重合 ． 2 ） 调整小孔中心和光栅基准重合 ． 小孔板安装 调节小孔板位置使主激 于微米级二维移动 平 台 上， 插 入 凸 反 镜， 利用其反射光 光焦点通过 滤 波 小 孔， 背向照明小孔，小孔投影通过取样光栅衍射并进入 成像系统， 此时再次 调 节 移 动 平 台 使 小 孔 中 心 和 光 栅基准精确重合 ． 以上两步只在 系 统 初 始 安 装 时 进 行， 系统正常 运行时不需再作调整 ． 3 ） 调整 M 1 ， 使光束中心和近场基准重合 ． 4 ） 调整 M 2 ， 使 光 束 焦 斑 中 心 和 远 场 基 准 重 合． 正常运行时， 调整 M 2 之 前 需 先 移 入 光 栅， 使光栅精 确复位 ． 5 ） 移出取样光栅， 准直完成 ． 从以上描述可 以 看 出， 该系统中的关键技术包 括刻有基准的取样 光 栅 、 离轴照明成像系统和光栅 的高精度重复定位 ． 2. 2. 远场取样系统 远场取样系统 是 上 述 系 统 的 核 心 所 在， 其功能 实现远场焦斑 主要包括提供系统 的 远 场 绝 对 基 准 、
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步骤， 其余 3 级均与此类似 ． 图 1 给出了 神 光Ⅱ升 级 装置预放系统第一级空间滤波器的准直示 意 图 ． 由 M 2 反 射 后， 再生放大器输出的光束经反射 镜 M 1 ， 经 取样板， 进入 空 间 滤 波 器 ． 空 间 滤 波 器 过近场基准 、 的共焦面上放置滤波小孔， 用于滤除光束近场的高频 改善近场质量， 从而抑制小尺度自聚焦， 同时隔 成分， 离杂散光和背向反射光 ． 在小孔板前方放置 经 过 特
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2. 远场准直系统
在高功率激光 系 统 中， 光束远场通常指的是光 束经过透镜会聚之后的焦斑 ． 远场的横向位置信息 对应于光束的指向信息 ． 远场的控制精度和稳定性 直接决定 光 束 到 达 靶 室 中 靶 球 处 的 打 靶 精 度 ． 同 时， 空间滤波器中的 远 场 控 制 精 度 与 光 束 近 场 和 远 场质量有着密切的关系 ． 空间滤波器在现代高功率 固体激光系统中发 挥 着 极 其 重 要 的 作 用：抑 制 小 尺 度自聚焦 、 实现像传递 、 抑制寄生振荡等
用于实现光束调整的自动准直系统不仅是保证高功率激光装置高效 、 安全 、 可 靠 运 行 的 关 键 子 系 统， 同时也是 保证光束近场和远场质量的关键要素之一 ． 通 过 巧 妙 的 光 栅 制 作 和 照 明 成 像 系 统 设 计 ， 实 现 了 高 精 度、 模块化的 远场准直系统 ． 其特点在于利用光栅的衍射特性， 实现了 远 场 焦 斑 和 基 准 的 同 时 离 轴 取 样 ． 此 系 统 在 神 光 Ⅱ 升 级 装置预放系统的实验结果表明， 其光栅基准的复位精度优于 8 μ m ， 准直过程中基准的抖动低于 0. 59 μ m ；准直完成 焦斑中心和基准中心的最大偏差优于 10 μ m． 此系统在 实 现 了 高 精 度 取 样 、 准 直 的 前 提 下， 不仅降低了对成像 后， 系统稳定性的要求， 同时节省了巨大空间， 为保证神光 Ⅱ 升 级 装 置 的 顺 利 研 制， 以 及 实 现 整 个 系 统 的 集 成 化、 模块 化提供了有力支撑 ．
该系 统 放 大 倍 率 为 1 ， 由斜成像条件可计算出其倾 斜角 β = θ o = 19. 86°． 图 5 所 示 为 远 场 取 样 系 统 中 空间滤波器内部的实物照片 ．
图5
远场取样系统实物照片
3. 实验结果
图4 远场成像系统原理示意图
利用上述系统， 我们实现了神光Ⅱ升级装置预
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激光聚 变 研 究 的 不 断 深 入 对 高 功 率 固 体 激 光 由于高功率 驱动器提出了 越 来 越 高 的 要 求 ． 同 时， 固体激光 器 的 功 率 不 断 提 高， 系 统 结 构 更 加 复 杂， 人们对其 可 靠 性 以 及 可 操 作 和 易 维 护 上 也 提 出 了 如美国的 越来越 高 的 要 求 ． 新 一 代 激 光 驱 动 器， OMEGA-EP 置
即其 － 1 级衍射角 θ o z 必须等于 19. 86 ° ，可 光耦合，
sin θ o z ） = － 40. 01 ° ． 光栅刻蚀深度选为 150 nm．
图2
远场取样光栅
（ a ） 设计图，（ b ） 实验所得结果
图3
远场取样系统原理示意图
图 4 给出了远场成像系统的设计原理图 ． 本系 分 为 前 组 和 后 组． 前 组 由 成 像 统采用双远心 光 路， 物镜组 、 远 心 光 阑 和 导 光 反 射 镜 组 成， 位于空间滤 目镜组和电荷 波器真空室 内； 后 组 由 导 光 反 射 镜 、 耦合器件（ CCD ） 构 成， 位 于 空 间 滤 波 器 外 部． 由 于 该系统 为 斜 成 像 系 统， 物面不垂直于成像系统光 CCD 靶 面 轴， 为 了 使 像 面 上 每 点 都 满 足 成 像 关 系， 必须与成像系统光 轴 倾 斜 放 置 以 满 足 斜 成 像 条 件 ．
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． 高精
度的远场 准 直 控 制 是 实 现 空 间 滤 波 器 功 能 的 必 要 条件 ． 下面将详细描述基于光栅取样的模块化的 远 场准直控制方式 ． 2. 1. 准直系统设计 神光Ⅱ 升级装置预放系统采用分级放大的 MOPA 型结构， 共分为 4 级放大 ． 以第一级空间滤波器准直 系统为例， 说明新型远场准直系统的准直原理及实施
其 坐 标 分 别 为 （ xi ， 按照顺时针的顺序依次编序， y i ） ，i = 1 ， 2， 3， 4 ；光 栅 基 准 的 位 置 为 第 1 个 小 圆 与第 3 个小圆中心连线和第 2 个小圆与第 4 小圆