（光学专业论文）icf中的衍射光学元件及均匀照明系统的设计和实验分析.pdf

中闻科学技术人学博i 学位论文 摘要 摘要 在激光驱动的惯性约束核聚变( i c f ：i n e r t i a lc o n f i n e m e mf u s i o n ) 中，要求 大功率激光在靶面上实现平顶、陡边、低旁瓣的均匀照明。国内外实现光强匀滑 的方案是c p p ( c o n t i n u o u sp h a s ep l a t e ) 、光谱色散匀滑( s s d ：s m o o t h i n gb y s p e c t r a ld i s p e r s i o n ) 以及f 交偏振匀滑( p s ：p o l a r i z a t i o ns m o o t h i n g ，即双折射 晶体光楔) 、多光束迭加等多种方法组合。并且在不断提高c p p 设计性能、提高 对波前畸变的宽容度、对s s d 参数进行优化选取以获得更好的靶面均匀照明性 能。 本论文的研究工作主要在国家高科技研究发展计划( 8 6 3 计划) 重大专项课 题( 8 6 3 8 0 4 ) “用于惯性约束核聚变的大尺寸衍射光学元件的设计与制造”，及 随后的“靶面激光光强匀滑技术研究”资助下丌展的工程应用性研究。研究围绕 “i c f 中的衍射光学元件及均匀照明系统的设计”这个主题展丌，主要内容分为三 大部分： 第一部分，用于均匀照明的大尺寸衍射光学元件的设计。在第二章晕系统的 研究、归纳了当前已有衍射光学元件( d o e ：d i f f r a c t i v eo p t i c a le l e m e n t s ) 的各 种直接设计方法，包括d o e 设计的迭代算法、优化算法及两者相结合的杂化算 法。并且给出了接收面焦斑的质量评价标准，在后面的章节中迸一步把功率谱密 度引入光场的评价中。在第三章晕主要针对神光系统中元件尺寸大、系统复杂， 多种横向对准、光束抖动及光束尺寸控制困难，分析大尺寸d o e 对横向位置误 差的宽容性。分析从d o e 在实际应用的入射光与设计使用的入射光口径、形状 不同时的均匀照明性能变化规律及各予单元的对称性丌始，揭示现有的整块设计 的d o e 在应用上的缺陷，提出一种改进的分区域d o e 的自j 接设计方法。这种 设计算法分为两步，第一步用迭代算法设计d o e 恒被照明的区域，第二步用搜 索算法设计剩余区域。这种方法可以设计在预定的照明口径范围内都保持较高匀 滑性能的d o e ，相当于在设计阶段就提高了d o e 的照明口径宽容性和抗横向位 置误差的能力。 ， 第二部分，s s d 和衍射光学元件的联合。随着研究的深入和国内制作工艺的 成熟神光装置的光强匀滑系统中加入了时域匀滑的s s d 系统。因为是初次尝试， 中同年 学技术人擘博l 学位论文摘要 研究工作从s s d 的原理调研丌始。从一维s s d 和d o e 的联合来寻找优化选取 s s d 关键参数的方法，给出了利于光束匀滑的s s d 参数。随后将s s d 模拟推广 到二维，并且对比整合模拟和分元件模拟两种方法在速度上的优劣，选取分元件 模拟方法作为模拟实验的方法。在模拟中考虑了采样间隔的精细化，讨论在s s d 作用下光斑位置偏移导致的非采样点光强移入效应。后继的理论分析和模拟密切 结合实验现场进行。证明发散球面波入射不影响s s d 和d o e 联合系统的匀滑性 能。对于s s d 的离线实验数据做了详尽的分析，对比在束匀滑系统中使用s s d 前后焦斑的变化，印证了理论和模拟所预言的高频散斑抑制现象。 第三部分，引入湍流对激光的传输扰动实现焦斑的时域匀滑。提出将湍流气 团扰动波前的方法引入光强匀滑系统，代替的是多维s s d 的功能。湍流的理论 描述和波在其中的传播，其他的应用领域的工作者已有详细研究，文中借用其他 领域对湍流的统计描述方法。不过在多数应用领域中需要避免的湍流对波的传播 的影响，在这罩得到f 面的利用。分析了对于聚焦系统中光强匀滑有重要影响的 到达角起伏。主要研究手段还是集中在数值模拟上，采用的模拟方法是位相屏方 法。详述可计入大尺度湍流效应的分谐波的位相屏产生方法。建立系统模型和数 值模拟平台，设定具体参数，对整个湍流中波的传播和经过m p p 以及会聚透镜 的聚焦特性做了细致的模拟和分析。最后对湍流扰动方法在束匀滑中的应用做了 初步实验得到高频成分被抑制的焦斑，与数值模拟分析的结论相一致。 n 中国科学技术大学博士学位论文 a b 盟t a c t a b s t r a c t i n l a s e r - d r i v e ni n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o n ( i c f ) ，r e q u i r eh i g h - p o w e rl a s e rt oa c h i e v et h e t a r g e ts u r f a c ef l a t t e n e d ，t h es t e e ps i d e ，l o ws i d e l o b eu n i f o r ml i g h t i n g a th o m ea n da b r o a d ，o p t i c a l s m o o t h i n go ft h ep r o g r a mi sc o n t i n u o u sp h a s ep l a t e ( c p p ) ，s m o o t h i n gb ys p e c t r a ld i s p e r s i o n ( s s d ) a n do r t h o g o n a lp o l a r i z a t i o ns m o o t h i n g ( p s ：p o l a r i z a t i o ns m o o t h i n g ，b i r e f r i n g a n tc r y s t a l o p t i c a lw e d g e ) m u l t i b e a ms u p e r p o s i t i o na n do t h e rm e t h o d sc o m b i n e d ，a n dc o n s t a n t l yi m p r o v i n g t h ec p pd e s i g np e r f o r m a n c e ，i n c r e a s eo ft h ew a v e f r o n td i s t o r t i o nt o l e r a n c e ，t oo p t i m i z et h e s e l e c t i o no f s s dp a r a m e t e r st ob e t t e rt a r g e ts u r f a c ei l l u m i n a t i o nu n i f o r m i t yp e r f o r m a n c e i nt h i sp a p e r , t h em a i nr e s e a r c hw o r ka tt h es u p p o r to ft h en a t i o n a lh i g h - t e e hr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tp l a n ( p l a n8 6 3 ) s i g n i f i c a n ts p e c i a li s s u e ( 8 6 3 8 0 4 ) ”f o ru s ei ni n e r t i a lc o n f i n e m e n t f u s i o no f t h el a r g es i z eo f d i f f r a c t i v eo p t i c a le l e m e n td e s i g na n dm a n u f a c t u r e ”a n dt h es u b s e q u e n t ”t a r g e ts o l f a c el a s e r - s m o o t h i n gt e c h n o l o g y ”f u n df u rt h ee n g i n e e n n gs t u d y r e s e a r c ho n “t h ei c f d o ea n du n i f o r mi l l u m i n a t i o ns y s t e md e s i g n ”t h e m e s ，c o n s i s t so f t h r e em a i np a r t s ： t h ef i r s tp a r t , t h el a r g es i z eo f d i f f r a c t i v eo p t i c a le l e m e n tw a s d e s i g nf o ru n i f o r mi l l u m i n a t i o n i nt h es e c o n dc h a p t e r , h a ss y s t e m i c a l l ys u m m a r i z e dt h ec u r r e n td i r e c td e s i g nm e t h o do f d i f f r a c t i v e o p t i c a le l e m e n t s ( d o e ) ，i n c l u d i n gi t e r a t i v ea l g o r i t h m ，o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m sa n dac o m b i n a t i o n o f b o t hh y b r i da l g o r i t h m a n dg i v e nt h es p o t - e v a l u a t i o no f t h eq u a l i t ys t a n d a r d s , i nt h ef o l l o w i n g c h a p t e r sf u r t h e ri n t r o d u c t i o no ft h ep o w e rs p e c t r a ld e n s i t yo ft h eo p t i c a lf i e l d e v a l u a t i o n i n c h a p t e rl l im a j o ra n a l y s e sl a r g es i z ea n dc o m p l e xs h e n g u a n gs y s t e m ，av a r i e t yo fh o r i z o n t a l a l i g n m e n t ，b e a ma n dt h eb e a ms i z e j i t t e r c o n t r o ld i f f i c u l t i e s ，a n a l y s i so f l a r g es i z ed o e h o r i z o n t a l p o s i t i o ne r r o rt o l e r a n c e a n a l y s e so ft h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no ft h ei n c i d e n tl i g h tw a sd i f f e r e n t f r o mt h ed e s i g no ft h ei n c i d e n tl i g h ti nc a l i b e ra n ds h a p e ，u n i f o r mi l l u m i n a t i o nc h a n g e sa n dt h e p e r f o r m a n c eo fs u b - u n i t ss y m m e t r y , r e v e a lt h ee x i s t i n gb l o c kd e s i g ni nt h ea p p l i c a t i o no ft h e d o e sd e f i c i e n c i e s a ni m p r o v e ds u b r e g i o n a ld o ei n d i r e c tm e t h o dw a sp r o p o s e d t h i sa l g o r i t h m i sd i v i d e di n t ot w os t e p s ，f i r s tu s i n gi t e r a t i v ea l g o r i t h md e s i g nd o ec o n s t a n ti l l u m i n a t i n gr e g i o n t h es e c o n ds t e ps e a r c ha l g o r i t h md e s i g nw i t ht h er e m a i n i n gr e g i o n s t h i sm e t h o dc a ob ed e s i g n e d i nt h ep r e s e tl i g h t i n gc a l i b e r , t h e yw i l lm a i n t a i nh i g h e rs m o o t h i n gp r o p e r t i e so ft h ed o e ， e q u i v a l e n tt ot h ed e s i g np h a s eo ft h ed o eo oi m p r o v i n gt h el i g h t i n gc a l i b e rt o l e r a n c ea n da n t i i l l 中国科学技术人学博i j 学位论立= a b s t r a c t h o r i z o n t a lp o s i t i o ne r r o rc a p a c i t y t h es e c o n dp a r t ，s s da n dt h ed o ew e r ej o i n t e d w i t ht h ed e p t ho fr e s e a r c ha n dd o m e s t i c m a n u f a c t u r i n gm a t u r i t ys h e n g u a n gd e v i c e si n t e n s i t ys m o o t h i n gs y s t e mw a qe x p a n dt ot h et i m e d o m a i nu s i n gt h es s ds y s t e m b e c a u s ei ti saf i r s ta t t e m p t ，w o r kw a sb e g u nf r o mt h ep r i n c i p l eo f s s d i ds s da n dd o et of i n do p t i m a ls e l e c t i o no f t h ek e yp a r a m e t e r so f t h es s d ，g i v e nt ot h e b e a ms m o o t h i n gs s dp a r a m e t e r s s s dw i l lt h e n b ee x t e n d e dt ot w o - d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o n c o m p a r i s o na n di n t e g r a t e ds i m u l a t i o na n dm o d e l i n ga tt h es p e e do f t h et w om e t h o d so nt h em e r i t s ， t oh o u r sa sam e t h o do fm o d e l i n gs i m u l a t i o nm e t h o d s t h es i m u l a t i o ni sc o n s i d e r e das a m p l i n g i n t e r v a lo fr e f i n e m e n t s s dd i s c u s s e du n d e rt h es p o tp o s i t i o nt oo f f s e tt h en o n s a m p l i n gi n t e n s i t y s h i r o de f f e c t ，s u b s e q u e n tt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sc l o s e l yw i t ht h es c e n e p r o v e dd i v e r g e n ts p h e r i c a lw a v ei n c i d e n td o e sn o ta f f e c ts s da n dt h ed o ej o i n ts m o o t h i n g p r o p e r t i e s s s df o rt h ee x p e r i m e n t a ld a t ao f f l i n ed o n ead e t a i l e da n a l y s i s ，i nc o n t r a s tt ob e a m s m o o t h i n gs s ds y s t e mu s i n gt h es p o tb e f o r ea n da f t e rt h ec h a n g e ，c o n f i r m st h et h e o r ya n d s i m u l a t i o no f h i g hf r e q u e n c yp r e d i c t e dd e c r e a s e db ys p e c k l es u p p r e s s i o n t h et h i r dp a r t t h ei n t r o d u c t i o no ft u r b u l e n c eo nt h el a s e rt r a n s m i s s i o nd i s t u r b a n c ea c h i e v e s t h et e m p o r a ls p o ts m o o t h i n g t u r b u l e n ta i rm a s sw i l lm a k et h ew a v eb e f o r et h ei n t r o d u c t i o no f l i g h ti n t e n s i t ys m o o t h i n gs y s t e mt or e p l a c et h em u l t i d i m e n s i o n a lf u n c t i o no fs s d t u r b u l e n c e t h e o r e t i c a ld e s c r i p t i o no ft h ew a v ea n dt h es p r e a do fo t h e ra r e a s ，w o r k e r sh a v eb e e nd e t a i l e d s t u d i e s ，w eb o r r o wo t h e ra r e a so ft u r b u l e n c es t a t i s t i c a ld e s c r i p t i o n b u t i nm o s ta r e a so f a p p l i c a t i o n sn e e dt oa v o i dt h et u r b u l e n c eo fw a v ep r o p a g a t i o ne f f e c t sh e r eg e tap o s i t i v eu s e t h e a r r i v i n ga n g l eu p sa n dd o w n sw a sa n a l y s i sf o ri ti m p o r t a n ti n f l u e n c e st h el i g h ts m o o t h i n g m a i n f o c u so nt h em e a n so f n u m e r i c a ls i m u l m i o n ，t h es i m u l a t i o nm e t h o di st h ep h a s es c r e e nm e t h o d t o b ei n c l u d e di nt h el a r g e s c a l et u r b u l e n c ee f f e c t 。t h es u b h a r m o n i cp h a s es c r e e ns e l e c t e d b u i l t t h e s y s t e mm o d e la n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o np l a t f o r m s e ts p e c i f i cp a r a m e t e r s o nt h ew h o l et u r b u l e n t w a v ep r o p a g a t i o na n da f t e rm p pa n dt h ef o c u s i n gl e n sc o n v e r g e n c ec h a r a c t e r i s t i c sd o n ead e t a i l e d s i m u l a t i o na n da n a l y s i s f i n a l l y , t h em e t h o di nt u r b u l e n tb e a ms m o o t h i n go fap r e l i m i n a r y e x p e r i m e n tw a ss u p p r e s s e db yh i g h f r e q u e n c yc o m p o n e n t so f t h es p o t 。n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d a n a l y s i so f t h ec o n c l u s i o n sa r ec o n s i s t e n t 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：盒查盎 如- 7 年歹月子日 第二版 2 口，) 辱，闷2 f 日 中圆科学技术人学博l 学位论义 第一章哆i 苦 第一章引言 1 1 衍射光学元件简介 衍射光学元件( d o e ：d i f f r a c t i v eo p t i c a le l e m e n t s ) 是基于光波的衍射理论， 利用计算机辅助设计，并通过超大舰模集成( v l s i ) 电路制造工艺，在基片上 ( 或传统光学器件表面) 刻蚀产生台阶型或连续浮雕结构，形成同轴再现、且 具有极高衍射效率的一类衍射型光学元件。在各种文献中，衍射光学元件有多 个不同的名称如：二元光学元件( b o e ：b i n a r yo p t i c se l e m e n t s ) ，全息位相片 ( k p p ：k i n o f o 瑚p h a s ep l a t e s ) ，连续分邪位相片( c d p p ：c o n t i n u o u sd i s t r i b u t e d p h a s ep l a t e s ) ，纯位相片( p p e ：p u r ep h a s ee l e m e n t s ) 等等。其实这些名称所指并 没有本质的不同，它们无非是各人的对d o e 的不同叫法。 关于d o e 的使用，可追溯到f r e s n e l 波带片出现的年代。在此之前，人们一 直把元件的衍射视为一种对光学系统不利的效应而尽力克服，对衍射而言，唯一 的用场或许是它的色散效应，人们由此发展了许多光谱仪。而f r e s n e l 波带片的 出现，标志着人类第次有目的的利用波动性去变换光在空间另一处的分布。4 0 年代全息术( h o l o g r a p h y ) 概念的出现标志着人类对衍射效应的认识发生了急剧 的变化。全息术、计算机制全息图( c g h ：c o m p u t e rg e n e r a t e dh o l o g r a m ) 和相 息图( k i n o f o r m ) 2 相继出现并得以发展，它们都是有目的的利用光的衍射效应， 使得光学工程师能够发展一些前所未有的具有独特性能的光学系统。然而，这些 元件的应用范围受到了极大的限制，一方面，出于在当时难以制造元件所需的特 别精细的衍射结构，直到高级的微电子加工技术引入到光学领域，这一面貌才得 以改善。另一方面，在许多应用中d o e 对波长有很强的依赖性，6 0 年代激光的 出现大大拓展了d o e 的应用范围，d o e 可以随激光光源一起使用，完成诸如光 束成形、散射、扇入俑出元件、滤波器及探测器等非成像方面的新任务。 上世纪8 0 年代中期，美国m i t 林肯实验室d r v e l d k a m p 领导的研究组在设 计新型传感系统中，率先提出了“二元光学”的概念3 一。随后衍射光学不仅作为一 门技术，而且作为一门学科迅速地受到学术界和工业界的青睐。在国际上掀起了 一股衍射光学的研究热潮。美国的加州大学s a nd i e g o 分校的研究小组建立了计 中闰科学技术人学博1 1 学位论史= 第一常0 l 者 算全息与衍射光学实验室，而且美国杜邦等公司也都有衍射光学元件产品的研 发。加拿大国家光学实验室也将衍射光学元件作为重点研究方向，只本、德国、 俄罗斯、瑞士等国的一些高校与研究所也相继开展了这一领域的工作。在我国， 许多单位都丌展了衍射光学的研究。 基于光波衍射原理的衍射光学是微光学中的一个最具活力、最有发展潜力的 分支，是光学与微电子学相互渗透与交叉的前沿学科。它是随着计算机辅助设计、 超大规模集成电路制造技术以及离子柬刻蚀技术的迅速发展，人们在上述全息术 与相息图发展的基础上，将这些微电子加工技术用到光学元件的制作中使几种 光学助能集于一体而发展起来的。 d o e 通常是在光学材料基片表面上刻蚀出特定的深浅不一的浮雕结构，当光 束投射到这样的元件上时，振幅或位相受到调制，从而实现各种不同的光学功熊。 由于在实现光波变换上所具有的许多传统光学难以具各的功能，且有利于促进光 学系统实现微型化，阵列化和集成化，因此d o e 开辟了光学领域的新视野5 一， 现在已被广泛应用于科研、医疗、微加工、天文、通信等领域实现激光波面校正 7 , 8 9 , 1 0 光束剖面整形1 2 b 、光束阵列发生器4 1 5 ，6 7 ，高密度存储1 8 、光谱优化19 2 0 ， 微型光通信2 1 , 2 2 等功能。 d o e 之所以获得如此迅速的发展，除由于具有体积小、重量轻，容易复制等 显而易见的原因外，还由于具有如下许多独特的功能和特点4 , 2 3 2 4 , 2 5 。 一、高衍射效率 纯位相型的d o e ，采用套刻工艺可做成多相位阶数的浮雕结构，具有高衍射 效率。使用n 块模板可得到l ( = 2 “) 个位相阶数其衍射效率为：q = l s i n ( r d l ) ( n l ) 1 2 。 表一i 为掩模数l 一4 的理论衍射效率。利用亚波长微结构及连续相位面形，可 达到接近1 0 0 的衍射效率。 图表一1 二元光学器件的理论衍射效率 掩模数刻蚀深度位相阶梯数衍射效率 n ( 位相值) n t 1 l兀24 0 5 2 ，【坦 4 8 1 0 3 v d 4 89 4 9 中国科学技术人学博f 擘位论义第一章0 i 苦 二、独特的色散性能 在一般情况下，衍射光学元件多在单色光下使用，但f 因为它是一个色散元 件，具有不同于常规元件的色散特性，故可在折射光学系统中同时校正球差与色 差，构成混合光学系统( 图表一2 ) ，以常规折射元件的曲面提供大部分的聚焦 功能，再利用表面上的浮雕相位波带结构校证像差。这一方法已用于新的菲球面 设计和温度补偿等技术中。 c h 丸0 m 叠j l ca b e r r j 盯l o nc o r r e c 丁l o n w l 下h8 l n a r y0 p 丁 c s 二：r e f r a c t i v eo p t i c s 6 1 n a f i yo p t i c s m i x e do p t i c ：$ 岛+ 昭：孓 图表一2 组合器件消色散示意图 三、更多的设计自由度 在传统的折射光学系统或镜头设计中只能通过改变曲面的曲率或使用不同 的光学材料校f 像差，而在衍射光学元件中，则可通过波带片的位置、槽宽与槽 深及槽形结构的改变产生任意波面，大大增加了设计变量，从而能设计出许多传 统光学所无法实现的全新功能的光学元件( 图表一一3 ) ，这是对光学设计的一次 新的变革。 中圆# i 学技术人学博i 学位论殳 第一币- j f 高 a f 了i + c d i 叮f a ：，p e o a ：sc a n t p i ：o jn g i n c d e | 1 tb c d l ”- ：1 t o 己s p o c 盯尤cp o ：t c f f jo l l l u + t l c , , + d o l - b e a md e i i b j t 。, 0 1 1 5 抚nd sa 搿c 嚣 潦f t j o , rab 帆f r + ；l h + j 图表一3 衍射光学元件灵活控制光斑形状，十字叉形( 左) ，方盒形( 右) 四、特殊的光学功能 衍射光学元件可产生一般传统光学元件所不能实现的光学波面，如非球面、 环状面，锥面和镯面等，并可集成得到多功能元件。使用亚波长结构还可得到宽 带宽、大视场、消反射和偏振等特性。 五、宽广的材料可选性及加工方法的多样化 衍射光学元件是将理论设计的浮雕面形转移至玻璃、电解质或金属基底上， 可用的加工方法非常多，主要有化学反应方法、离子束刻蚀方法、激光束直写方 法等等，因此d o e 可用材料范围非常大。 同时，d o e 的另一个很大的优点是便于复制。常用的复制技术有：铸造法， 模压法和注入模压法，其中电铸成型模压复制将是未来大规模生产的主要技术。 根据d o e 的特点，其他一些颓工艺，例如l i g a 、溶胶、凝胶、热溶及离子扩 散等技术也被应用于加工当中此外还可利用狄阶掩模及p m m a 紫外感光胶制 作连续相位器件。 中国科学技术人学博l 学位论史第一章i 苦 1 2 惯性约束核聚变中的衍射光学 1 2 1 惯性约束核聚变中的均匀照明 由于世界经济的快速发展和入口的急剧增长，能量需求同益增加，而传统的 煤炭、石油等化石能源储量十分有限。能源危机日趋严重，迫使人们去开发新能 源。现在正在被丌发和利用的新能源有太阳能、地热能、海洋能、风能、氢能和 核能等。然而由于技术和经济条件的限制，预计在化石燃料枯竭之前，太阳能、 海洋能和地热能等几种新能源不大可能成为人类解决能源问题的有效途径。人们 寄予厚望的新能源是核能。这是因为作为释放核能的方式之一核裂变能。不 仅在技术上已臻完善，而且现在和能在许多国家能源中的比重已经相当可观2 6 。 获取核能的另一种方式核聚变能，较之核裂变能有三个重要的优点：地球 上蕴藏的核聚变能比核裂变能丰富得多。最常见的核聚变燃料氢的同位素氘 ( d e u t e r i u m ) 氚( t r i t i u m ) 可聚合成较重的原予核如氦而释放出能量。每升普 通的水中含有o 0 3 克氘，所以地球上仅在地表水中就有4 2 1 0 吨氘。一升水 中所含的氘，若完全反应产生的热量相当于3 0 0 升汽油的燃烧热，那么地球上的 海水中的氘若全部聚变燃烧，他们所放出的能量，即使按人类很高的能量消费水 平来计算，也足够使用数十亿年，可以说是取之不竭的的能源。至于氚，虽然自 然界中几乎不存在，但可以通过中子碰撞锂原子核得到，而海水中也含有大量的 锂。没有污染。聚变反应需要的燃料少，其中氘是稳定的同位素，氚的毒性较 低。聚变反应产尘的是没有放射性的氦气，不存在余热问题。聚变本身是靠高 温来维持的，一旦系统失灵，高温条件就不能维持，聚变反应会自动停止。因此 不会发生像裂变反应堆那样因堆芯失冷而熔化或爆炸的事故。总之，核聚变能作 为一种干净、安全又取之不竭的能源对人类的有非常重要的意义。 目前为了实现聚变反应有两条技术途径：磁约束聚变( m c f ：m a g n e t i c c o n f i n e m e n tf u s i o n ) 和惯性约束聚变( i c f ：i n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o n ) 。所谓 惯性约束，就是致力于迅速压缩氘一氚( d t ) 燃料( 一般在纳秒量级) ，利用靶 丸燃料的惯量，在靶丸爆散( 解体) 之前，大量的聚变反应已经发生并放出大量 的能量。 中固 ： 学技术人学博l 学位论文 第一章0 i 者 图表- - - 4i c f 靶丸聚爆 受控核聚变的方案中，引爆热核反应的能源不是氢弹中的原子弹，而是激光 或带电粒子束。不过i c f 点火是相当困难的，目前，至少还存在下面三个障碍”： ( 1 ) 驱动能量不足。无论激光还是离子束的功率都还没有达到足够大的点火水 平。 ( 2 ) 有许多技术问题仍有待解决。例如激光必须均匀照射，靶丸小球壳必须非常 光滑而且厚度均匀；入射能量必须均匀的分布在靶丸表面，否则造成燃料压 缩不均匀，爆炸效率不高或失败。 ( 3 ) 目前应用的中心内爆式点火方式不一定是最好，更有效的点火方式有待研 究、探索。例如最近有一种快速点火( f a s ti g n i t i o n ) 方案，即用非常高功率 的激光( 约1 0 2 0 瓦) 来更迅速的点燃巨变燃料。 在上述几点中，激光驱动i c f 中入射能量的不足可以通过增加入射激光束的 路数、增加能量利用率等方法解决，但是各路驱动激光在靶面上必须实现足够高 的照明均匀性。使得第二点中i c f 靶球的均匀照明问题一直以来都是人们关注的 焦点。因为在i c f 尤其是强激光直接驱动的i c f 中，若激光束不是均匀辐照靶 球表面时，球面各区域所吸收的光能会出现差别，使得等离子体不对称的外爆， 阻碍了向心的压缩效应。同时，也使得激光光能转变成压缩能的效率大为下降， 并产生一系列非线性不稳定过程，大范围地消耗了激光能量。因此为了抑制热核 反应过程中高温等离子体的各类非线性不稳定过程，特别是r a y l e i g h t a y l o r 不稳 定性等的产生2 8 ，并有效实现球形向心压缩，对靶球表面能量沉积的不均匀度提 中周科学技术人学僻i 学位论文第一章1 斋 出了非常严格的要求，其均方根值一般要小于3 2 9 , 3 0 。 图表一，4 神光i i 装置的惯性约束聚变( i c f ) 靶场系统 激光直接驱动的i c f 实验是通过多路激光以一定的对称儿何分靠共同作用以 实现对靶球的对称压缩( 图表一4 ) ，事实上，在激光产生等离子体并因此而形 成有效的热传导临界面之前的时问罩，激光束辐照靶面时其横截面光强分布均匀 化的程度对靶球的对称压缩起着决定性的作用。另外，理论研究结果表明，只需 每束汇聚激光柬的强度分布是均匀的而且是可控的，则有限束激光的对称辐照叠 加可以获得所需的4 兀立体角球面均匀辐照。因此，可以说完成激光束横截面光 强分饰的均匀化是最终实现靶面均匀辐照的前提条件，开展激光光束均匀化技术 研究具有重要的意义。 在一些与i c f 研究相关的单项物理实验中，诸如，激光与等离子体相互作用 的研究，流体不稳定往实验，高压冲击波实验研究，则需要将入射的激光光束聚 集成一个尺寸约为0 5 0 0 “m ，光强分布非常均匀的焦斑来辐照一个平面靶。在这 些实验中，焦斑的最佳强度分布是平顶分布。焦斑上光强度分布的均匀性直接影 响到实验测量结果所能达到的精度和结果的可靠性。所以，在这类实验中，均匀 照明技术也具有非常重要的意义。 在微电子工业，激光加工，加工切割，热处理等工业应用领域。同样需要入 射的激光束对特定的区域进行均匀辐照，因此，光束均匀化技术也有实际的应用 价值。 中国科学技术人学博i + 学位论文 第一章引言 1 2 2 均匀照明的实现方法 对用于i c f 的高功率激光驱动器，已经发展了许多技术，来提高靶面上的辐 照均匀性3 1 。这些技术包括为降低光束的空间相干性采用几何光学原理设计的球 面镜、双折射光楔以及采用衍射光学原理设计的随机位相板( r p p ：r a n d o mp h a s e p l a t e s ) 3 2 透镜阵列( l a ：l e n s a r r a y ) j 5 等技术；为降低光束时间相干性采 用的感应空间非相干( i s i ：i n d u c e ds p a t i a li n c o h e r e n c e ) 3 6 , 3 7 , 3 8 、光谱色散匀滑( s s d ： s m o o t h i n gb ys p e c t r a ld i s p e r s i o n ) “等。 其中的r p p 是d o e 的一种形式，1 9 8 2 年，只本大阪大学激光工程研究所 yk a t a 等人首次提出随机位相板光束匀滑技术。这种技术优势显著：( 1 ) 靶面 焦斑的大小容易控制。( 2 位相板采用比较成熟的半导体制作工艺，采用光刻技 术，制作方便。( 3 ) 使用方便属于纯位相型元件，可以和其他的均匀照明技术 联合使用。( 4 ) 对入射光束光强和位相的随机畸变不敏感。因此d o e 被认为是 解决均匀照明问题的最有效方案。 随着人们对d o e 在束匀滑上的认识、实践的深入和微细加工工艺水平的提 高，从较低设计自由度、较容易制作的r p p 丌始衍生出多种形式的位相片用在 i c f 上。他们是：可以实现任意形状焦斑的全息位相片( k p p ：k i n o f o r mp h a s e p l a t e ) 4 0 ，方型或六边形子单元填充的分布式位相片( d p p ：d i s t r i b u t e dp h a s ep l a t e ) 引，多子块全息位相片( m s k p p ：m u l t i s e g m e n t e dk p p ) 4 2 , 在第一节的分析中我们看到一个普通的1 6 台阶纯位相型d o e ，其理论衍射 效率高达9 9 ，并且可以将入射光束变换为任意所需的强度分布，同时可消除焦 斑旁瓣，靶面上的光强调制也远低于r p p 或l a 的结果。我们的研究课题就致 力于设计制作用于i c f 激光驱动器末端实现均匀照明的d o e 。 多台阶型位相片( m p p ：m u i l t 1 e v e lp h a s ep l a t e ) 4 ”4 和其他台阶型的位相片 都是通过位相片中各子单元衍射图样相干叠加效应得到焦斑，因此干涉包络中存 在高频调制，也就是散斑。在系统中引入时域匀滑的s s d 配合m p p 一起使用可 消除这种散斑，s s d 通过复制在空间上被岔开一系列散斑模式，使得某时刻的峰 值位罱上在下一个时刻可能是谷值，从而在一定时间积累上的效果是散斑被抹 平。s s d 产生这些相互错开的模式的过程可分两步：光束经过一个电光调制加上 了一个微小的频谱展宽，然后经衍射光栅频谱色散，二维s s d 因光栅方向不同 中国科学技术人掌博f 。学位论文 第一章- j i 言 而使两个调制朝相互垂直的方向色散开。色散使得各分量在靶场上位置略有差 异，从而得到所需的相互岔开的模式。谱色散并不能降低瞬时散斑调制，但是在 不同时刻教斑模式不同。通过不同位相元的光束电场的干涉因各部分频率有差异 而不再稳定。时间积累的干涉效果几乎为零。现在各国i c f 系统中采用的主流柬 匀滑装置就是多台阶位相片( d p p ) 加s s d 的组合形式。其中d p p 采用微电子 加工中成熟的掩模套刻工艺制作。和s s d 的联合使用还能提高系统对入射光畸 变的宽容度。 美国、同本、法国等均在利用c p p ( 注：此处的c p p 实际是改进后的d p p ， 英文称) b c o n t i n u o u sd p p ) 、s s d 以及