高功率准分子激光主振荡靶面光斑重心稳定性分析

高功率准分子激光主振荡靶面光斑重心稳定性分析

主振动输出系统（mopa）由主振动源和一系列激励枪组成，能够输出高质量、高能量的激光输出，为与刚性约束相关的物理实验提供足够的目标面功率密度。该系统非常大，光路复杂。为了保证光束方向的精度对系统工程的实施有严格的要求。因此，高效率激光系统的研究人员非常重视光束定位问题。对于高功率准分子激光装置,通常采用光学角多路脉冲压缩技术和诱导空间非相干(EFISI)光束平滑技术,这种平滑化角多路光束传光学元件数量多,光程长,靶物理实验对光束定位具有很高的要求,美国NIF装置科研人员开展了光学元件稳定性影响因素、误差分配及有限元模拟及分析的研究;中国工程物理研究院朱启华等针对神光Ⅲ原型装置利用光线追迹和代数运算开发了光学与安定性的仿真软件,用于分析各光学元件稳定性对靶点的影响。根据系统设计指标,靶面光束定位误差为30~50μm。为此,采用改进层次分析方法来进行指标权重系数确定,得到了影响系统稳定性各光学元件的光束定位指标要求。但误差分配结果能否满足靶面光束定位误差指标要求,各光学元件误差分配量互相之间是否合理,现实中各光学元件误差分配量能否实现,并且根据测量的光学元件稳定性数据得知能否满足靶面指标要求,为此利用光线追迹和传输矩阵,根据光学元件的稳定性指标按照一定的分布开展了系统靶面光斑稳定性仿真及分析。1反射式透镜的对比实验结果根据平滑化准分子激光MOPA系统的光路特点,可以将像传递系统光路严格等效为依次排列的多个物像共轭结构。考虑到多束激光光路布局上的一致性,选取其中一路进行靶面光束定位误差分配研究。该系统采用了3种像传递结构,即4f成像结构1(case1,图1(a))、无限远显微成像结构2(case2,图1(b))和单透镜成像结构3(case3,图1(c))。其中,f为结构中单透镜成像结构的透镜焦距,f1,f2分别双透镜成像结构的第1个和第2个透镜的焦距,如图1所示。透镜的平移和反射镜的转动是影响光束打靶精度的主要因素,利用传输矩阵和光线追迹可以得到光学元件偏移与相应像传递结构像面光束位置变化关系如表1所示。表中,l是反射镜距离像传递结构第1个透镜的距离,Δx为透镜偏移的距离,Δθ为反射镜偏转的角度。根据表1可以得到透镜变化单位μm及反射镜变化单位μrad时靶面光斑重心偏移量。利用线性加权及改进层次分析方法,对全系统的光学元件进行误差分配,系统光路及光学元件如图2所示。图中,M表示反射镜,L表示透镜,CM表示腔镜,photon表示放大器,光路是严格的物像共轭像传递系统。典型光学元件分配结果如表2所示。表2中第2列数据即为各个元件相对于靶面偏移量光学灵敏度,第3列是各个元件的误差分配量。可以看出,M21,M22,M25,M26反射镜以及CM1,CM2反射式透镜对靶面光斑重心稳定性影响较大。原因在于,为了减小光束入射角,增大激光的填充面积,提高激光对增益介质的提取效率,增大出光能量,在预放大器4处CM1的焦距为10m,主放大器处CM2的焦距为17.5m,较大的透镜焦距导致了较长的光程,增加了控制光束稳定性的难度。虽然像传递结构能够一定程度上减小靶面光束偏移量,但对于单个像传递结构而言,其光程越大对靶面光束的稳定性影响越大。比如反射镜M21偏移1μrad靶面光斑重心位置变化5.4μm,反射镜M25偏移1μrad光斑重心位置变化14.0μm,对靶面稳定性总指标要求影响很大,需要进行合理的再分配。2光斑重心偏移量的检测以图形化编程语言LABVIEW软件为平台,根据系统误差分配结果或者调用光学元件实际漂移规律数据,编写系统稳定性模拟仿真软件。利用ActiveX技术通过DDE动态连接在LABVIEW中调用MATLAB的.m文件,建立MATLABScript节点,在该节点中编写MATLAB程序代码,完成靶面光斑重心稳定性xy散点图的绘制,将散点图保存,并利用LABVIEW的图像处理函数库IMAQVision调用图片在前面板显示。输入x向参数(即测量得到的光学元件x向稳定性数据或者是根据x向误差分配值按照一定分布产生的随机数)、y向参数(即测量得到的光学元件y向稳定性数据或者是根据y向误差分配值按照一定分布产生的随机数),输入各数据的比例系数(根据表1公式计算得到),也就是透镜变化单位μm或反射镜变化单位μrad时的靶面光斑重心偏移量。利用光线追迹和传输矩阵,每个光学元件漂移量分布为正态情况下,直接对所有光学元件稳定性数据取均方根即得到光束在靶面偏移量,而每个光学元件漂移量分布为普通随机分布情况下,将所有光学元件对靶面光斑重心稳定性造成的偏移相加减,即可得到光束在靶面偏移量,进而得到xy坐标画散点图,并将数据及图片保存。3结果与分析3.1光学元件稳定性测量光学元件稳定性表现为长时间单调缓慢变化的漂移量和快速双向变化的抖动量,其中漂移量利用自动准直来调节。对实验室环境下各光学元件抖动量进行测量,得到的典型数据曲线如图3所示。输入各光学元件的稳定性测量数据,令采样数为10000,以原点为圆心,半径为30画圆,以光斑重心坐标在圆内的百分比衡量靶面光斑稳定性,对光路进行模拟仿真。如图4示,此时满足稳定性指标要求比例为89.54%,靶面光斑重心最大偏移将近80μm。光学元件稳定性测量数据没有排除气流扰动的影响,而且现有M21,M22,M25,M26,CM1及CM2镜架不够稳定,偏移达到2.5μrad。为使靶面光斑重心稳定性满足要求,需要对实验室气流扰动进行控制,比如采用真空管道,设计M21,M22,M25、M26、CM1及CM2的高稳定性支撑镜架。3.2测定靶面光斑稳定性为了使靶面光斑能够满足稳定性指标要求,进行了全光路的误差分配,对误差分配结果进行模拟仿真验证。利用各个光学元件的误差分配结果,对光路进行模拟仿真。输入各光学元件xy向误差分配值,令采样数为10000,以原点为圆心,半径为30画圆,以光斑重心坐标在圆内的百分比衡量靶面光斑稳定性,如图5示,此时满足稳定性指标要求比例为99.39%。但由表2可知,M21,M22,M25,M26,CM1和CM2分配结果分别为1.0,1.5,0.8,0.8,1.4和1.0μrad,相对其他光学元件分配小很多,这对实验室环境和支撑镜架的设计及加工提出很高的要求,较难实现,需要结合实际加工能力对这些高要求光学元件稳定性进行再分配,以实现优化调整。3.3反射镜分配值对靶面光斑重心坐标稳定性的影响对光路中所用到透镜的平移和反射镜的转动进行测量,在假定采用真空管到排除气流扰动的影响下,得到透镜抖动量最大为1μm,反射镜抖动量最大为1μrad。根据分配结果可知,很多光学元件的分配值远大于此测量数据,所以在保持稳定性裕量前提下,可以对光学元件进行再分配。假定所有光学元件的抖动是以原点为中心的正态分布,分别设定其它影响较小的透镜分配值为1.5μm、反射镜分配值1.5μrad(case1)及透镜分配值2μm、反射镜分配值2μrad(case2)进行模拟仿真,改变M21,M22,M25,M26,CM1及CM2的分配值θ,得到相应靶面光斑稳定性如表3所示。可以看出,在M21,M22,M25,M26,CM1及CM2的分配值θ变大时,两种情况靶面光斑重心坐标稳定性变差;对两者比较,M21,M22,M25,M26,CM1及CM2分配值相同情况下,case1比case2稳定性要好;假定靶面光斑重心稳定性满足指标的要求为大于95%,则case1中M21,M22,M25,M26,CM1及CM2的分配值θ为1.7μrad,而case2中M21、M22,M25,M26,CM1及CM2的分配值θ为1.6μrad。当然,case1比case2中θ大是以其它光学元件分配值的减小为代价的。影响较大光学元件直径都比较大,要求越高价格越昂贵且难以加工,选择case1作为最优化分配方案,即M21,M22,M25,M26,CM1及CM2均分配1.7μrad,而其它光学元件透镜分配1.5μm,反射镜分配1.5μrad。4仿真结果及分析利用LABVIEW和MATLAB相结合的方式,根据光线追迹和传输矩阵原理,在假定光学元件稳定性按照一定模型分布下,分别对光学元件误差分配结果及现有实验室