高功率激光裝置靶場(chǎng)中的小焦斑精確定位技術(shù)研究.pdf

1、高能高功率密度激光是開(kāi)展慣性約束聚變、武器物理、天體物理、固體物理等相關(guān)科學(xué)研究的重要條件。為在靶點(diǎn)獲得高功率密度激光，一般采用多路(超)短脈沖激光聚焦打靶。多路激光與物理實(shí)驗(yàn)靶的精確耦合是關(guān)系到物理實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的焦斑檢測(cè)及聚焦定位技術(shù)已不能滿足高功率密度激光、特別是快點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)器對(duì)小尺度聚焦光斑（微米級(jí)直徑的焦斑）的高精密束靶耦合的需求。為解決這一問(wèn)題，本論文針對(duì)小尺度焦斑的精確定位技術(shù)開(kāi)展研究。首先對(duì)該技術(shù)的兩個(gè)核心問(wèn)題開(kāi)展研

2、究：研究如何實(shí)現(xiàn)小尺度焦斑位置的高精度檢測(cè)以及如何實(shí)現(xiàn)小尺度焦斑的精確聚焦；在此基礎(chǔ)上，研制了小尺度焦斑精確定位控制系統(tǒng)。
　　受限于CCD像元尺寸限制，基于CCD的焦斑檢測(cè)技術(shù)一般不能夠檢測(cè)微米級(jí)直徑的小尺度焦斑。為了解決這一問(wèn)題，本論文提出了一種基于CCD掃描成像技術(shù)的高精度焦斑尺寸檢測(cè)方法。該方法以移動(dòng) CCD為特征，由 PZT驅(qū)動(dòng)的精密位移平臺(tái)移動(dòng) CCD，對(duì)焦斑進(jìn)行掃描測(cè)量。本論文首先建立了基于CCD掃描成像技術(shù)的小尺度

3、焦斑檢測(cè)方法的理論模型。本模型為第3章和第5章的實(shí)驗(yàn)研究提供理論支撐。利用此模型，對(duì)小尺度焦斑的質(zhì)心位置及相對(duì)強(qiáng)度分布進(jìn)行了數(shù)值研究。數(shù)值模擬了理想高斯光斑、加噪聲的高斯光斑、加高斯調(diào)制的高斯光斑以及不規(guī)則型光斑的質(zhì)心位置及相對(duì)強(qiáng)度分布。理論研究表明，對(duì)于10μm左右直徑的焦斑，其質(zhì)心位置測(cè)量誤差為0.9μm。此結(jié)果證明了利用此硬細(xì)分方法可以對(duì)亞像元尺度的焦斑進(jìn)行檢測(cè)。在此基礎(chǔ)上，提出并實(shí)驗(yàn)研究了基于多像元信息融合的蛇形掃描光斑強(qiáng)度重構(gòu)

4、法。研究表明，此方法可以最大限度的利用其臨近像元獲取的信息，可以顯著減少掃描步驟，縮短了檢測(cè)時(shí)間。
　　靶點(diǎn)激光的精確聚焦是實(shí)現(xiàn)小尺度焦斑位置的精確控制的前提。為實(shí)現(xiàn)靶點(diǎn)激光的精確聚焦，本論文提出并研究了離軸拋物面鏡精密聚焦控制方法。該方法采用離軸拋物面鏡為反射式聚焦元件，以反射式聚焦方案代替透射式聚焦方案，以避免短脈沖激光在透射元件中傳輸產(chǎn)生的色散及非線性效應(yīng)問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)激光的精確聚焦控制，本論文建立了離軸拋物面鏡聚焦系統(tǒng)的仿

5、真模型。利用此模型，計(jì)算并分析入射光束失準(zhǔn)角、發(fā)散角等因素對(duì)離軸拋物面鏡聚焦特性的影響。研究結(jié)果表明：入射光束失準(zhǔn)角對(duì)離軸拋物面鏡的聚焦特性影響顯著，而入射光束的發(fā)散角對(duì)聚焦特性影響較小。
　　在上述研究的基礎(chǔ)上，本論文將小尺度焦斑位置的精確檢測(cè)技術(shù)與小尺度焦斑的精確聚焦技術(shù)相結(jié)合，研制了由離軸拋物面鏡、雙聯(lián)動(dòng)反射鏡構(gòu)成的聚焦控制系統(tǒng)，用以在實(shí)驗(yàn)上研究并驗(yàn)證小尺度焦斑位置的精確控制技術(shù)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)的焦斑位置控制精度優(yōu)于1μm