“神光”裝置大尺寸衍射光學(xué)元件設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究.pdf

1、本論文是圍繞863-804項(xiàng)目，“用于ICF(慣性約束核聚變：InertialConfinement Fusion)系統(tǒng)激光束勻滑的大尺寸衍射光學(xué)元件的研制”這一主題展開的工程應(yīng)用型研究工作，在結(jié)合“神光”裝置需求的基礎(chǔ)上，對(duì)元件的設(shè)計(jì)、加工、測(cè)試和應(yīng)用等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的論述，所取得主要成果如下： ◆結(jié)合搜索優(yōu)化思想的分步迭代設(shè)計(jì)方法基于線性變換的迭代方法具有簡(jiǎn)單、快捷、收斂速度快的特點(diǎn)，因而被廣泛的采用。這類方法的關(guān)鍵是迭代過(guò)

2、程中的“反饋”是否有效，其直接影響到算法的效率。分步迭代方法基于迭代的框架，在保證迭代方法快速高效的前提下，結(jié)合優(yōu)化的思想對(duì)每步迭代反饋中的參數(shù)進(jìn)行有目的的選擇，加強(qiáng)對(duì)輸出結(jié)果的控制，提高設(shè)計(jì)指標(biāo)。不同設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)比，以及使用該方法設(shè)計(jì)所得實(shí)際元件的性能指標(biāo)都證明了該方法的優(yōu)越性。 ◆空間頻域優(yōu)化設(shè)計(jì)方法基于搜索的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)于焦面的光強(qiáng)分布控制能力很強(qiáng)，能有效提高焦面光強(qiáng)的均勻性。但是其缺點(diǎn)是搜索效率不高，近乎窮舉式

3、的搜索方式需要消耗大量的計(jì)算時(shí)間。如何設(shè)定搜索的路徑是提高優(yōu)化效率的關(guān)鍵?？臻g頻域優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是在搜索優(yōu)化的基礎(chǔ)上，從空間頻域的角度開辟一條新的途徑。其意義不在于算法內(nèi)容本身，而是在于對(duì)空間頻譜進(jìn)行優(yōu)化這一思想的引入。該方法基于對(duì)焦面光強(qiáng)的空間頻譜分析，在頻域內(nèi)選取優(yōu)化目標(biāo)和費(fèi)用函數(shù)，通過(guò)控制焦斑中的低頻調(diào)制成分，提高元件的實(shí)際應(yīng)用性能。與已有空域優(yōu)化方法的對(duì)比證明了該方法的有效性。 ◆現(xiàn)階段工藝可行的多臺(tái)階型DOE的離子束套刻

4、方案衍射光學(xué)元件的加工方法很多，在ICF驅(qū)動(dòng)器均勻照明用DOE的研究過(guò)程中，針對(duì)DOE的設(shè)計(jì)和加工我們進(jìn)行了多種方案的嘗試。通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)論證，相比較于連續(xù)位相元件的離子束旋轉(zhuǎn)刻蝕方案和隨機(jī)位相元件的掩模刻蝕方案，多臺(tái)階型DOE的離子束套刻方案是在現(xiàn)有工藝條件下解決元件寬容度和工藝誤差的矛盾，縮小設(shè)計(jì)和實(shí)測(cè)元件性能指標(biāo)差異的有效途徑。 ◆兩組外徑100mm多臺(tái)階DOE元件的設(shè)計(jì)、加工和測(cè)試根據(jù)不同的設(shè)計(jì)參數(shù)，采用多臺(tái)階型位相元件

5、的離子束套刻方案，設(shè)計(jì)并制作了兩組外徑100mm(有效尺寸口徑分別為80mm和70mm)的位相元件，分別實(shí)現(xiàn)了矩形和圓形焦斑的束勻滑。測(cè)試結(jié)果和數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示了元件良好的應(yīng)用性能，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法和工藝可行性。通過(guò)對(duì)各類工藝誤差的數(shù)值模擬分析，為設(shè)計(jì)方法和工藝過(guò)程的改進(jìn)提供了依據(jù)。同時(shí)誤差模擬結(jié)果也表明采用改進(jìn)雜化算法設(shè)計(jì)的多臺(tái)階型DOE具有較強(qiáng)的工藝誤差寬容度。 ◆大尺寸元件在ICF中的應(yīng)用前景分析相對(duì)小尺寸元件試制的成功，標(biāo)

6、志著用于ICF驅(qū)動(dòng)器束勻滑大尺寸DOE的研制工作已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)用化的階段。與實(shí)際裝置使用的列陣透鏡系統(tǒng)的性能對(duì)比表明大尺寸DOE已經(jīng)具備了實(shí)用化的必要條件。綜合六尺寸元件的特殊性和實(shí)際應(yīng)用靶場(chǎng)條件的限制，通過(guò)元件的設(shè)計(jì)和對(duì)各類測(cè)試誤差的模擬，本論文分析了實(shí)用化的難點(diǎn)，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)方案。理論設(shè)計(jì)結(jié)果表明，通過(guò)使用分區(qū)域設(shè)計(jì)DOE的方法能夠得到在一定照明口徑下都保持較高勻滑性能的DOE，能從設(shè)計(jì)上提高DOE的照明口徑寬容性和抗橫向?qū)?zhǔn)誤

7、差的能力。 ◆與SSD(譜色散平滑：Smoothing by Spectrum Dispersion)聯(lián)用的DOE設(shè)計(jì)方案鑒于ICF系統(tǒng)對(duì)靶面光束均勻性的苛刻要求，僅僅依靠DOE單一元件來(lái)實(shí)現(xiàn)束勻滑是十分困難的。因此，SSD技術(shù)的應(yīng)用受到了廣泛的關(guān)注，并且初步的聯(lián)用實(shí)驗(yàn)已經(jīng)驗(yàn)證了DOE與SSD聯(lián)用的效果。結(jié)合聯(lián)用的SSD參數(shù)有針對(duì)性的改進(jìn)DOE的設(shè)計(jì)方法，成為進(jìn)一步提高DOE應(yīng)用性能的有效途徑。本論文中，我們從空間頻頻譜的角度出