狹縫型空間濾波器的光束傳輸特性研究.pdf

1、高功率激光驅(qū)動(dòng)裝置是激光聚變的重要裝備，而空間濾波器則是高功率激光裝置運(yùn)行所需的關(guān)鍵器件之一。采用空間濾波器能夠有效地濾除光束中快速增長(zhǎng)的中高空間頻率，避免由此造成的小尺度自聚焦現(xiàn)象，提高輸出光束的近場(chǎng)質(zhì)量，保護(hù)激光系統(tǒng)中的光學(xué)器件不被局部過(guò)高的光強(qiáng)損傷，同時(shí)也承擔(dān)著像傳遞和光束口徑匹配等功能。雖然空間濾波器能夠有效提高光束近場(chǎng)質(zhì)量，但其使用也衍生出了其它一些問(wèn)題，包括等離子體堵孔效應(yīng)、空氣擊穿和鏡面的粒子污染等。為避免上述情況的發(fā)生，

2、空間濾波器往往需要被放置在高真空環(huán)境中以防止空氣擊穿，組成空間濾波器的透鏡焦距也往往很大以降低遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度延遲堵孔時(shí)間，這就大大增加了高功率激光裝置的規(guī)模和輔助真空設(shè)備的投入以及維護(hù)，并降低了系統(tǒng)應(yīng)用的便利性。
　　針對(duì)目前空間濾波器所存在的這些問(wèn)題，本論文應(yīng)用新型的狹縫型空間濾波器來(lái)取代高功率激光驅(qū)動(dòng)裝置中傳統(tǒng)的針孔型空間濾波器。相比針孔型空間濾波器，狹縫型空間濾波器中的遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度降低了兩到三個(gè)數(shù)量級(jí)，能夠在不影響輸出光束質(zhì)量的情況下

3、大大縮短濾波器長(zhǎng)度并降低濾波器所需的環(huán)境真空度，從而為建造緊湊型、高可靠性的激光驅(qū)動(dòng)裝置提供可能。同時(shí)本論文也利用狹縫濾波器進(jìn)行了高功率激光驅(qū)動(dòng)裝置的主光路設(shè)計(jì)，為下一代激光驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)提供新的思路。本論文主要取得了以下研究進(jìn)展和結(jié)果:
　　1.提出了“交叉”四鏡結(jié)構(gòu)和“柱-球-柱”三鏡結(jié)構(gòu)等兩種狹縫型空間濾波器。對(duì)包括美國(guó)利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提出的“四柱透鏡”結(jié)構(gòu)和兩鏡濾波結(jié)構(gòu)在內(nèi)的四種狹縫濾波器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)、功能和性能等方面的對(duì)比

4、，認(rèn)為“柱-球-柱”結(jié)構(gòu)和兩鏡濾波結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于聚變激光裝置中，并具有激光裝置規(guī)模小和更好抑制等離子體堵孔效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn);
　　2.結(jié)合瑞利-索末菲衍射積分、透鏡變換公式和多高斯平頂光束，對(duì)“柱-球-柱”結(jié)構(gòu)和兩鏡濾波結(jié)構(gòu)中的光束傳輸過(guò)程進(jìn)行分析，從理論上解決了狹縫濾波器像傳遞功能不明確的問(wèn)題，并引入了系統(tǒng)前焦面和系統(tǒng)后焦面的概念，擴(kuò)展了對(duì)像傳遞系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。通過(guò)理論計(jì)算、模擬仿真和實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證了“柱-球-柱”結(jié)構(gòu)和兩鏡濾波結(jié)構(gòu)的空間濾波

5、、像傳遞和口徑匹配等主要功能，與傳統(tǒng)的針孔濾波器取得了一致結(jié)果。針對(duì)兩鏡濾波結(jié)構(gòu)的輸出光束形變問(wèn)題，模擬研究了兩鏡濾波結(jié)構(gòu)輸出光束的尺寸變化對(duì)輸出頻譜的影響，獲得了輸出光束尺寸與輸出頻譜之間的變化規(guī)律并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證;
　　3.采用“柱-球-柱”結(jié)構(gòu)和兩鏡濾波結(jié)構(gòu)對(duì)美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置(NIF)中的傳輸空間濾波器進(jìn)行了仿真模擬，在保證裝置性能的基礎(chǔ)上，狹縫濾波器可以有效降低裝置的規(guī)模和抑制等離子體堵孔效應(yīng)，從而提高裝置的可使用性和可靠

6、性。仿真結(jié)果表明:采用“柱-球-柱”結(jié)構(gòu)可以使NIF中的傳輸空間濾波器整體長(zhǎng)度從原來(lái)的60m縮短到28m，遠(yuǎn)場(chǎng)峰值強(qiáng)度和狹縫光闌上所受輻照強(qiáng)度可以降低約3個(gè)數(shù)量級(jí)，在一定程度上可以有效避免堵孔效應(yīng)，濾波器所需的環(huán)境真空度要求可放寬一個(gè)數(shù)量級(jí);此外，截止頻率可以從原來(lái)的39倍衍射極限降低到30倍以獲得更好的輸出光束質(zhì)量，或者提高到42倍以增加能量透過(guò)率。采用兩鏡濾波結(jié)構(gòu)可以將傳輸空間濾波器的總長(zhǎng)度縮短到39m，同時(shí)將光束的遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度降低約兩