用于ICF束勻滑與遠場熒光顯微鏡的衍射光學(xué)元件的設(shè)計和實驗.pdf

1、本論文第一部分主要圍繞“用于ICF(慣性約束核聚變：InertialConfinementFusion)系統(tǒng)激光束勻滑的大尺寸衍射光學(xué)元件研究”這一主題展開的工程應(yīng)用型研究，針對“神光”系統(tǒng)需求，對束勻滑器件進行設(shè)計優(yōu)化，并解決實驗中出現(xiàn)的一系列問題，通過理論模擬，優(yōu)化各束勻滑器件的匹配，使光束勻滑效果滿足工程需要。主要內(nèi)容分為以下三個方面。
　　 一、衍射光學(xué)元件設(shè)計參數(shù)對束勻滑效率的影響
　　 實驗室前期設(shè)計加工的口

2、徑320mm的DPP(DistributedPhasePlate)，擁有良好的勻滑性能，但是在實驗中在相互垂直的兩個方向造成了高級次衍射。本論文就此問題進行了理論推導(dǎo)，獲得了靶面光場的真實分布，從中發(fā)現(xiàn)由于DPP的采樣和臺階相位恢復(fù)方式，是以數(shù)十微米尺寸的方形柱面作為加工子單元的，這就使得焦面輸出光場產(chǎn)生了高級次衍射，形成了具有sinc2包絡(luò)調(diào)制的周期分布光強，造成了焦斑能量利用率大幅低于設(shè)計衍射效率。針對此問題，本文提出了通過在設(shè)計中

3、降低焦斑主瓣占設(shè)計輸出窗口比例，可以在一定程度上解決此問題，例如選取合適的采樣點數(shù)，使得設(shè)計時焦斑主瓣占輸出窗口的比例小于0.2，則由此產(chǎn)生的衍射效率損失可以被控制在2％以內(nèi)，基本可以將高級次衍射斑強度壓制在旁瓣強度級別。同時針對性地對工藝提出了“弱化臺階”的需求，并通過采用濕法刻蝕實現(xiàn)了這一需求。經(jīng)過設(shè)計優(yōu)化和工藝改進后的大口徑DPP經(jīng)過實驗測試，其能量利用率由起初的低于60%提升到了84%，而最新一塊的測試顯示，能量利用率已經(jīng)接近9

4、0%，基本滿足工程需求。
　　 一、利用光譜色散和分布式位相板改善靶面輻照均勻性
　　 在慣性約束核聚變以及激光等離子實驗中，對焦面的輻照均勻度有著相當(dāng)高的苛刻要求，這就需要以DPP為代表的空間域勻滑技術(shù)和以SSD(譜色散勻滑：SmoothingbySpectralDispersion)為代表的時間域勻滑技術(shù)相互配合，以達到工程需要。本論文通過對分布式相位板和光譜色散勻滑技術(shù)聯(lián)用的模擬計算，分析了聯(lián)用實驗中焦斑的變化，論

5、證了非設(shè)計采樣點光強的不可控性對焦斑勻滑質(zhì)量的損害。模擬結(jié)果證實了光譜色散勻滑技術(shù)對色散方向上的焦斑均勻性的改善，焦斑不均勻性由58.30%降為19.50%。通過分析焦斑不均勻性與光譜色散勻滑積分時間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)5～6個光譜色散勻滑調(diào)制周期時得到最優(yōu)勻滑效果。對焦斑頻譜的分析顯示，光譜色散勻滑技術(shù)可以有效抑制由非設(shè)計采樣點光強引入的高頻成分，26.3μm內(nèi)的光強調(diào)制被平滑，同時很好地保持了由分布式相位板決定的焦斑低頻包絡(luò)，在實驗與模擬中

6、均得到很好驗證。為進一步的分布式相位板與光譜色散勻滑技術(shù)聯(lián)用設(shè)計提供了理論依據(jù)。
　　 三、連續(xù)型相位片設(shè)計
　　 ICF間接驅(qū)動方案中對入腔激光的能量利用率要求極高，使得CPP（連續(xù)型相位片：ContinuousPhasePlate）方案成了很具競爭力的束勻滑方案。本文完整闡述了CPP的設(shè)計方法，并在設(shè)計中對相位展開技術(shù)和焦斑空間頻譜控制做出優(yōu)化，隨后針對實驗系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計加工了一塊口徑240mm的CPP，在實驗測試中顯

7、示了良好的束勻滑效果。
　　 本論文的第二部分主要圍繞遠場超分辨率熒光顯微技術(shù)展開。研究了用于光敏定位顯微鏡(PALM：PhotoactivatedLocalizationMicroscopy)等一系列單分子顯微鏡的單分子定位算法，并提出了一種有潛在應(yīng)用價值的高z向分辨率的熒光顯微技術(shù)。
　　 一、單分子定位算法研究
　　 本文簡要介紹了PALM實驗的原理和圖像重構(gòu)方法，并對其中的關(guān)鍵部分——單分子定位算法做了優(yōu)

8、化選擇，分別采用Hogbom‘tCLEAN’方法進行粒子搜尋，而采用MLE方法進行粒子定位，將圖像重構(gòu)時間由十幾小時減少到十幾分鐘。在雙色PALM的實驗中，重構(gòu)得到了分辨率小于20nm的超分辨率圖像，并對粒子分布做相關(guān)統(tǒng)計，為一種新的分子生物學(xué)機理解釋提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。
　　 二、利用帶渦旋相位的軸對稱偏振光和DOE實現(xiàn)高z向分辨率
　　 針對3D單分子顯微技術(shù)中z向分辨率偏低的問題，提出了一種提高z向分辨率的方法。通過將