衍射光學(xué)元件的高效計算與設(shè)計方法.pdf

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

2、terface)并行程序語言，開發(fā)了適用于DOE設(shè)計的并行計算方法。使用課題組的小型并行計算平臺，計算時間上相比于單機(jī)大大縮短，可以滿足今后大尺寸DOE器件的設(shè)計時間要求。 二、平面靶的差值反饋優(yōu)化算法當(dāng)前針對光束整形的衍射光學(xué)元件的設(shè)計中，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，所需的搜索時間很長，相比于光斑均勻性的提高量，性價比很低。差值反饋優(yōu)化算法克服了SA的隨機(jī)性，它通過一定

3、的數(shù)學(xué)近似，將實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間內(nèi)收斂到一個更優(yōu)的位相結(jié)構(gòu)，極大的縮短了元件的設(shè)計周期。同時，根據(jù)該算法的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程，對于任何線形系統(tǒng)，只要選取相應(yīng)的差值，均可使用該算法對已有的較優(yōu)解來做進(jìn)一步優(yōu)化。 三、多目標(biāo)面迭代算法實現(xiàn)焦點附近3維空間束勻滑傳統(tǒng)DOE設(shè)計的目標(biāo)輸出面都只是單獨的2維平面，偏離目標(biāo)設(shè)計面的光斑均勻性明顯變差；另一方面間接驅(qū)動的目標(biāo)輸出面并非垂

4、直于光軸而是與之有一定夾角。因此這兩方面都對焦點附近3維空間提出了束勻滑的要求。本論文通過離散化3維空間，設(shè)置不同的接收反饋因子，展開遞歸搜索等方式，開發(fā)實現(xiàn)了多平面迭代算法。該算法的設(shè)計結(jié)果與傳統(tǒng)設(shè)計結(jié)果的對比表明，在焦點附近約0.2mm的空間里，光束的均勻性和衍射效率都得到了不錯的保持，從而提高了現(xiàn)有的空間設(shè)計指標(biāo)，增強(qiáng)了器件的適應(yīng)性。 四、正面到斜面的可逆?zhèn)鬏攲崿F(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、平面相對于光軸是一個斜面，工程要求在腔口上實現(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)計中，就是一個斜面設(shè)計以及消旁瓣的問題。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)鬏攩栴}。然后利用該方法，開發(fā)了消旁瓣的設(shè)計方法。大點陣的設(shè)計結(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、計上滿足了工程需求。 五、口徑縮放以及中心漂移的設(shè)計算法提高DOE的口徑寬容性無論是平面靶還是間接靶的DOE設(shè)計，都不得不考慮口徑影響，這源于實際打靶中，照射到DOE器件上的光束口徑有一定量的縮放，且還會偏離中心少許；而理論設(shè)計上均假定入射光束口徑不變并且固定在中心，導(dǎo)致實測結(jié)果與設(shè)計偏差較大。本文對此作了相應(yīng)研究，并將口徑的變化直接納入到DOE的迭代設(shè)計中，利用隨機(jī)入射口徑的方式來使得DOE元件對口徑在給定范圍內(nèi)變化的入射光均

7、具有較好的輸出光斑。設(shè)計結(jié)果表明，對于任何在DOE有效位相單元內(nèi)的入射光都能得到一個較好的平均結(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器件的打靶測試，改進(jìn)和應(yīng)用前景由分步迭代算法設(shè)計制作的320mm有效口徑的DOE器件，進(jìn)行了實驗打靶測試，實測結(jié)果與設(shè)計指標(biāo)偏離較大：中心亮點較大，旁瓣較高，衍射效率太低。經(jīng)計算分析，設(shè)計口徑與實驗口徑相差較大以及DOE單