衍射光學(xué)元件的高效計(jì)算與設(shè)計(jì)方法.pdf

1、本論文是圍繞國(guó)家重大項(xiàng)目，結(jié)合高功率激光裝黃需求的基礎(chǔ)上，對(duì)光束控制元件的設(shè)計(jì)、應(yīng)用和測(cè)試等方面進(jìn)行了系統(tǒng)性的論述，主要研究?jī)?nèi)容及獲得的成果如下： 一、大規(guī)模點(diǎn)陣的并行計(jì)算方法隨著裝置對(duì)光束控制元件DOE的尺寸需求越來(lái)越大，也就意味著設(shè)計(jì)上需要更多的采樣點(diǎn)陣以保證滿足采樣定理同時(shí)擴(kuò)大合適的輸出計(jì)算窗口。然而單機(jī)在點(diǎn)陣成倍擴(kuò)大時(shí)，計(jì)算能力不足的劣勢(shì)凸現(xiàn)，內(nèi)存以及時(shí)間都成為瓶頸。本論文利用MPI(Message Passing In

2、terface)并行程序語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)了適用于DOE設(shè)計(jì)的并行計(jì)算方法。使用課題組的小型并行計(jì)算平臺(tái)，計(jì)算時(shí)間上相比于單機(jī)大大縮短，可以滿足今后大尺寸DOE器件的設(shè)計(jì)時(shí)間要求。 二、平面靶的差值反饋優(yōu)化算法當(dāng)前針對(duì)光束整形的衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)中，均需要采取模擬退火算法(SA)做進(jìn)一步優(yōu)化已得到更好的輸出光斑。然而由于SA的隨機(jī)性，所需的搜索時(shí)間很長(zhǎng)，相比于光斑均勻性的提高量，性價(jià)比很低。差值反饋優(yōu)化算法克服了SA的隨機(jī)性，它通過(guò)一定

3、的數(shù)學(xué)近似，將實(shí)際輸出與理想輸出的差值反饋到輸入的位相結(jié)構(gòu)上，進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，從而可以在很短的時(shí)間內(nèi)收斂到一個(gè)更優(yōu)的位相結(jié)構(gòu)，極大的縮短了元件的設(shè)計(jì)周期。同時(shí)，根據(jù)該算法的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò)程，對(duì)于任何線形系統(tǒng)，只要選取相應(yīng)的差值，均可使用該算法對(duì)已有的較優(yōu)解來(lái)做進(jìn)一步優(yōu)化。 三、多目標(biāo)面迭代算法實(shí)現(xiàn)焦點(diǎn)附近3維空間束勻滑傳統(tǒng)DOE設(shè)計(jì)的目標(biāo)輸出面都只是單獨(dú)的2維平面，偏離目標(biāo)設(shè)計(jì)面的光斑均勻性明顯變差；另一方面間接驅(qū)動(dòng)的目標(biāo)輸出面并非垂

4、直于光軸而是與之有一定夾角。因此這兩方面都對(duì)焦點(diǎn)附近3維空間提出了束勻滑的要求。本論文通過(guò)離散化3維空間，設(shè)置不同的接收反饋因子，展開(kāi)遞歸搜索等方式，開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了多平面迭代算法。該算法的設(shè)計(jì)結(jié)果與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果的對(duì)比表明，在焦點(diǎn)附近約0.2mm的空間里，光束的均勻性和衍射效率都得到了不錯(cuò)的保持，從而提高了現(xiàn)有的空間設(shè)計(jì)指標(biāo)，增強(qiáng)了器件的適應(yīng)性。 四、正面到斜面的可逆?zhèn)鬏攲?shí)現(xiàn)間接ICF束勻滑在間接ICF的小焦斑進(jìn)洞的工程模型中，其腔口

5、平面相對(duì)于光軸是一個(gè)斜面，工程要求在腔口上實(shí)現(xiàn)圓型光斑的注入，并且盡可能壓低其余旁瓣使得不燒蝕腔口端面以順利進(jìn)洞，反映到DOE設(shè)計(jì)中，就是一個(gè)斜面設(shè)計(jì)以及消旁瓣的問(wèn)題。本文首先研究了幾種正面到斜面的傳輸方法，并根據(jù)Fourier空間內(nèi)波矢的旋轉(zhuǎn)變換，綜合出了可逆的譜旋轉(zhuǎn)方法，解決了正面到斜面的可逆?zhèn)鬏攩?wèn)題。然后利用該方法，開(kāi)發(fā)了消旁瓣的設(shè)計(jì)方法。大點(diǎn)陣的設(shè)計(jì)結(jié)果表明，可以注入大部分激光能量到靶腔中，并且所需壓制旁瓣區(qū)域的功率密度很低，設(shè)

6、計(jì)上滿足了工程需求。 五、口徑縮放以及中心漂移的設(shè)計(jì)算法提高DOE的口徑寬容性無(wú)論是平面靶還是間接靶的DOE設(shè)計(jì)，都不得不考慮口徑影響，這源于實(shí)際打靶中，照射到DOE器件上的光束口徑有一定量的縮放，且還會(huì)偏離中心少許；而理論設(shè)計(jì)上均假定入射光束口徑不變并且固定在中心，導(dǎo)致實(shí)測(cè)結(jié)果與設(shè)計(jì)偏差較大。本文對(duì)此作了相應(yīng)研究，并將口徑的變化直接納入到DOE的迭代設(shè)計(jì)中，利用隨機(jī)入射口徑的方式來(lái)使得DOE元件對(duì)口徑在給定范圍內(nèi)變化的入射光均

7、具有較好的輸出光斑。設(shè)計(jì)結(jié)果表明，對(duì)于任何在DOE有效位相單元內(nèi)的入射光都能得到一個(gè)較好的平均結(jié)果，包括光斑德均勻性指標(biāo)和所需壓制旁瓣區(qū)域的功率密度。從而大幅提高了DOE的口徑寬容性。 六、320mm口徑DOE器件的打靶測(cè)試，改進(jìn)和應(yīng)用前景由分步迭代算法設(shè)計(jì)制作的320mm有效口徑的DOE器件，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)打靶測(cè)試，實(shí)測(cè)結(jié)果與設(shè)計(jì)指標(biāo)偏離較大：中心亮點(diǎn)較大，旁瓣較高，衍射效率太低。經(jīng)計(jì)算分析，設(shè)計(jì)口徑與實(shí)驗(yàn)口徑相差較大以及DOE單