CN101162294B - 用于惯性约束聚变装置全光路像差的测量和校正方法 - Google Patents

Abstract

用于惯性约束聚变装置的全光路像差的测量和校正方法，将哈特曼波前传感器放置在激光放大器之后的光路中探测近场波前，将反射变形镜放置在哈特曼波前传感器之前的光路中，将CCD放置在全光路远场，以探测焦斑强度分布，动态像差由哈特曼波前传感器直接测量，静态相差由反射变形镜、哈特曼波前传感器和远场CCD相互配合共同测量，当驱动反射变形镜，哈特曼波前传感器记录下变形镜调制的不同波前，同时远场CCD记录下相应的远场强度；根据记录下的不同近场调制波前和相应的远场强度数据对，利用迭代算法计算出惯性约束聚变装置全光路静态像差，驱动反射变形镜将该像差校正。本发明实现了ICF装置全光路像差的测量和校正。

Description

用于惯性约束聚变装置全光路像差的测量和校正方法

技术领域

本发明涉及一种用于惯性约束聚变装置的全光路像差的测量和校正方法。

背景技术

在惯性约束聚变装置ICF中，为了满足打靶的需要，对光束质量，特别是对光束远场焦斑的能量集中度或焦斑形态有很高的要求。光学像差的存在将导致远场焦斑不可控，从而降低了激光轰击靶丸的效能，这就对光学系统波前畸变的控制提出了很高的要求。自适应光学技术是校正光学系统像差的有效手段，目前各国ICF系统中都采用了该技术。ICF装置中的自适应光学像差校正方法通常有两种类型：

第一种类型是爬山法，可以参见“Hill-climbing wave front correcting system for largelaser engineering，”Wenhan Jiang，Shufu Huang，Ning Ling，Xubin Wu.P roc of SPIE 1988。该方法以远场焦斑为目标函数，通过若干次驱动变形镜使得远场焦斑逼近目标函数。该方法的优点是直接控制远场焦斑，但缺点是需要进行数百次的试探驱动变形镜和远场焦斑测量，效率较低；另外由于试探驱动变形镜时，有可能出现光束通过空间滤波器时卡孔的现象，导致评价远场目标函数不准确，增加了控制过程的不确定性。

第二种类型是通过测量和校正ICF系统近场像差，间接的实现远场焦斑的控制，目前各国的ICF系统通常采用该方法，可以参见“An Adaptive Optical System for ICFApplication，”Yudong Zhang，Ning Ling，Zeping Yang，Haifeng Duan，Shilong Jiao，，WenhanJiang，Proc SPIE 4494，96-103(2002)。和“The National Ignition Facility(NIF)WavefrontControl System，”Richard Zacharias，Erlan Bliss，Mark Feldman，SPIE 3492，678-692(1999)。该方法要求对系统近场像差进行测量，然后驱动变形镜校正系统像差，其优点是根据所测的波前直接控制变形镜，控制过程简单、确定；但缺点是安置在近场的波前传感器只能探测取样点之前的光路像差，而取样点后续光路像差无法探测和校正，因此必需严格控制波前探测点后续光学元件的像差，从而增加了光学元件的制造成本。另外的缺点是波前传感器取样光路本身的像差还必需严格标定，标定过程本身具有很大的难度。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种用于惯性约束聚变装置的全光路像差的测量和校正方法，该方法可以实现全光路像差探测和控制，既弥补了爬山法校正像差速度慢的缺点，又克服了在系统近场进行像差测量无法实现全光路像差校正的缺点。

本发明的技术解决方案是：用于惯性约束聚变装置的全光路像差的测量和校正方法，其特点在于：将哈特曼波前传感器放置在惯性约束聚变装置中激光放大器之后的光路中探测近场波前，将反射变形镜放置在哈特曼波前传感器之前的光路中，将CCD放置在全光路远场，以探测焦斑强度分布，惯性约束聚变系统像差分为动态、和静态两类，当聚变装置发射动态强光时，动态像差由哈特曼波前传感器直接测量，因为动态像差集中在激光放大器的增益介质中；静态相差由反射变形镜、哈特曼波前传感器和远场CCD相互配合共同测量，当惯性约束聚变装置发射静态弱光时，驱动反射变形镜数次，使之调制不同的波前与主光路像差相叠加，此时整个惯性约束聚变装置光学系统的远场焦斑也发生各种不同的变化，哈特曼波前传感器记录下反射变形镜调制的不同波前，同时远场CCD记录下相应的远场强度；根据记录下的，不同近场调制波前和相应的远场强度数据对，利用迭代算法计算出惯性约束聚变装置全光路静态像差，动态像差与静态像差之和即是惯性约束聚变装置全光路像差；最后根据测量到的全光路像差，驱动反射变形镜将该像差校正。

在测量全光路静态相差过程中，所述驱动反射变形镜的驱动次数为5-6次即可满足相差测量要求。

所述迭代算法步骤如下：

(1)假设一个具体的近场初始相差φ₀，与已知|A₀|构成近场复振幅|A₀|exp(i2πφ₀)，将近场复振幅进行傅立叶变换得到远场复振幅|I₀′|exp(i2πψ₀)，用已知的远场|I₀|替换|I₀′|得到修正的远场复振幅|I₀|exp(i2πψ₀)，并将其进行傅立叶逆变换得到进场复振幅|A₀′|exp(i2πφ₀ ⁽¹⁾)，提取出相差φ₀ ⁽¹⁾。

(2)现在利用φ₀ ⁽¹⁾与已知的φ₁和|A₁|构成近场复振幅|A₁|exp[i2π(φ₀ ⁽¹⁾+φ₁)])，

将其进行傅立叶变换得到远场复振幅|I₁′|exp(i2πψ₁)，用已知的远场|I₁|替换|I₁′|得到修正的远场复振幅|I₁|exp(i2πψ₁)，并将其进行傅立叶逆变换得到进场复振幅|A₁′|exp[i2π(φ₀ ⁽²⁾+φ₁)]，提取出相差φ₀ ⁽²⁾。

(3)利用与(2)所述步骤相同的方法计算出相差φ₀ ⁽ⁿ⁺¹⁾，n为驱动反射变形镜的次数，通常取n＝5或者6即可。

(4)令 ${\mathrm{\φ}}_0={\mathrm{\φ}}_0^{(n+1)},$ 从(1)开始循环整个迭代过程。直到迭代误差ε≤c时停止迭代，输出相差φ₀即为所求全光路静态相差。

本发明的原理：ICF装置像差由静态像差和动态像差组成。静态像差是指ICF激光放大器不工作状态下，种子激光注入ICF系统，此时光路表现出的像差。动态像差是指ICF激光放大器正在工作状态下，种子激光注入ICF系统，此时光路表现出的相对于静态像差的像差增量。ICF装置全光路像差是全光路动态像差与静态像差之和。当ICF装置发射动态强光时，动态像差可由哈特曼波前传感器直接测量。动态像差主要来源于激光放大器中的增益介质，后续光路主要是传输反射镜，基本不产生动态像差，因此H-S波前传感器可以探测全光路的动态像差。ICF全光路静态像差由反射变形镜、H-S波前传感器、远场CCD相互配合测量。当ICF系统发射静态弱光时，驱动反射变形镜使系统静态像差发生若干次不同的变化，H-S波前传感器探测近场发生的各种静态像差变化量，同时利用远场CCD探测相对应的焦斑形态。然后根据测量到的若干对近、远场数据，通过迭代算法反演出全光路静态像差。完成了ICF全系统的像差测量后，驱动变形镜将ICF全系统像差校正。

本发明的原理的依据是：单独利用H-S波前传感器测量ICF装置全光路动态像差。利用反射变形镜、H-S波前传感器、远场CCD相互配合测量ICF装置全光路静态像差。全光路动态像差与静态像差之和即为ICF全系统像差，最终以ICF全系统像差为依据驱动反射变形镜将其校正。

测量全光路静态像差的原理如下

设全光路近场的光场函数为

A₀(x，y)＝|A₀(x，y)|exp{i·2π·φ₀(x，y)}                        (1)

其对应的远场光场函数为

I₀(x₁，y₁)＝|I₀(x₁，y₁)|exp{i·2π·ψ₀(x₁，y₁)}                  (2)

驱动反射变形镜n次(通常6次即可)，在主光路系统中调制入各种不同的像差φ_n，使主光路近场的光场函数变为

A_n(x，y)＝|A_n(x，y)|exp[i·2π·(φ₀(x，y)+φ_n(x，y))] n＝1，2... (3)

其对应的远场光场函数为

I_n(x₁，y₁)＝|I_n(x₁，y₁)|exp(i·2π·ψ_n(x₁，y₁))    n＝1，2...    (4)

由于驱动反射变形镜变化不会改变近场光场强度，即

|A_n(x，y)|²＝|A₀(x，y)|²  n＝1，2...                              (5)

式(1)～(4)中，φ₀为待求解的全光路静态像差，φ_n为驱动DM使近场产生的像差变化，φ_n可由H-S波前传感器测量，使用分辨率较高的H-S波前传感器同时可以测量出近场光场强度|A₀|²，通常近场强度为超高斯分布，可以等效为光强均匀；放置在远场的CCD可以测量出远场光场强度|I₀|²和|I_n|²。

根据傅立叶光学原理，下面关系式成立(光学傅立叶变换不是纯傅立叶变换，含有与焦距、波长有关的附加项和频谱坐标缩放因子，式中F、F^-1表示光学傅立叶变换和反变换关系)

|I₀|exp(i·2π·ψ₀)＝F{|A₀|exp(i·2π·φ₀)}            (6)

|A₀|exp(i·2π·φ₀)＝F^-1{|I₀|exp(i·2π·ψ₀)}          (7)

|I₁|exp(i·2π·ψ₁)＝F{|A₁|exp[i·2π·(φ₀+φ₁)]}      (8)

|A₁|exp[i·2π·(φ₀+φ₁)]＝F^-1{|I₁|exp(i·2π·ψ₁)}    (9)

|I_n|exp(i·2π·ψ_n)＝F{|A_n|exp[i·2π·(φ₀+φ_n)]}      (10)

|A_n|exp[i·2π·(φ₀+φ_n)]＝F^-1{|I_n|exp(i·2π·ψ_n)}    (11)

将经典的相位反演算法(G-S算法)进行改进，使迭代过程在式(6)～(11)之间循环，迭代恢复全光路静态像差φ₀，这样可以跳出经典算法迭代停滞的陷阱，图3是改进迭代算法的具体流程。

经典的相位反演算法(G-S算法)参见“Phase determination from imagine and diffractionplane pictures in the election microscope”Gerchberg R W，Saxton W O.[J].Optik，1971，34(2)：275-283。

本发明与现有技术相比有如下优点：ICF装置中的自适应光学像差校正技术目前分为两种类型。第一类技术是爬山法；第二类技术是通过测量和校正ICF系统近场像差，实现远场焦斑的控制。

(1)与第一类技术相比，本发明的测量与校正速度快。采用第一类技术通常需要试探驱动反射变形镜上百次，才能实现ICF全光路像差校正；而本发明只需试探驱动反射变形镜6次，即可实现ICF全光路像差探测与校正。

(2)与第二类技术相比，本发明能够实现ICF装置全光路的探测与校正。第二类技术是通过测量和校正ICF装置近场像差，间接的实现远场焦斑的控制。第二类技术的缺点是安置在近场的波前传感器只能探测取样点之前的光路像差，取样点后续光路像差无法探测和校正；而本发明克服了该缺点，依靠变形镜、H-S波前传感器、远场CCD相互配合测量和控制ICF全系统像差。

(3)采用第二类技术必需标定近场波前传感器取样光路的像差，可以参见“WavefrontControl of High-Power Laser Beams in the National Ignition Facility(NIF)，”Richard Zacharias，Erlan Bliss，etal..，Proc ofSPIE，Vol.3889，2000：332-343。而本发明中H-S波前传感器始终

只需测量像差的相对增量，取样光路本身的像差不影响测量，因此不需利用标准参考光源标定取样光路本身的像差，这样一定程度上减少了光路设计考虑因素，同时降低了系统装调难度。

附图说明

图1为典型的ICF装置光路原理结构示意图；

图2为采用本发明方法所述全光路像差测量和控制系统后的ICF装置结构示意图；

图3为本发明中用于求解全光路静态像差的迭代算法流程框图。

具体实施方式

如图1所示为典型的ICF装置光路原理结构示意图，种子光源从前端发出，经由反射镜15反射导入光学匹配系统3，再通过激光放大器4后能量被放大，然后导入光学匹配系统5，再经由传输反射镜9、10导入倍频晶体11，然后被聚焦透镜12聚焦在靶丸14。

如图2所示为装配了本发明系统的ICF装置结构示意图。反射变形镜2替换反射镜15；漏光镜8在近场分光取样，取样光束通过反射镜6导入H-S波前传感器7，H-S波前传感器7可以测量漏光镜8之前主光路的像差；远场CCD13可以测量全系统远场光斑强度。

ICF全光路动态像差由H-S波前传感器7单独测量：首先让ICF系统发射静态弱光，H-S波前传感器7记录下静态参考波前；当ICF系统发射动态强光时H-S波前传感器7再次记录下波前，两次波前之差即为动态像差。由于动态像差主要由激光放大器增益介质产生，所以测量到的动态像差可以近似为ICF全光路动态像差。

ICF全光路静态像差由反射变形镜2、H-S波前传感器7、远场CCD13相互配合测量：设ICF全光路静态像差为φ₀，此为待求未知量。驱动反射变形镜5次，调制5个Zernike低阶像差φ₁～φ₅进入主光路，H-S波前传感器7测量并记录下φ₁～φ₅。相应的远场强度将变为|I₁|²～|I₅|²，远场CCD13测量并记录下|I₁|²～|I₅|²。此时n＝5，根据图3所示的迭代框图，迭代计算ICF全光路静态像差φ₀。

迭代算法的流程说明：

(1)假设一个具体的近场初始相差φ₀，与已知|A₀|构成近场复振幅|A₀|exp(i2πφ₀)，将近场复振幅进行傅立叶变换得到远场复振幅|I₀′|exp(i2πψ₀)，用已知的远场|I₀|替换|I₀′|得到修正的远场复振幅|I₀|exp(i2πψ₀)，并将其进行傅立叶逆变换得到进场复振幅|A₀′|exp(i2πφ₀ ⁽¹⁾)，提取出相差φ₀ ⁽¹⁾。

(2)现在利用φ₀ ⁽¹⁾与已知的φ₁和|A₁|构成近场复振幅|A₁|exp[i2π(φ₀ ⁽¹⁾+φ₁)])，将其进行傅立叶变换得到远场复振幅|I₁′|exp(i2πψ₁)，用已知的远场|I1|替换|I1′|得到修正的远场复振幅|I₁|exp(i2πψ₁)，并将其进行傅立叶逆变换得到进场复振幅|A₁′|exp[i2π(φ₀ ⁽²⁾+φ₁)]，提取出相差φ₀ ⁽²⁾。

(3)利用与(2)所述步骤相同的方法计算出相差φ₀ ⁽ⁿ⁺¹⁾，n＝5为驱动反射变形镜的次数。

(4)令 ${\mathrm{\φ}}_0={\mathrm{\φ}}_0^{(n+1)},$ 从(1)开始循环整个迭代过程。直到迭代误差ε≤c时停止迭代，其中迭代误差ε＝∑[|A₀|-|A_n′|]²/∑|A₀|²。输出相差φ₀即为所求全光路静态相差。

将上述的动态像差与静态像差之和即为ICF全光路像差。根据测量到的ICF全光路像差，可以驱动反射变形镜将该像差校正。具体像差校正算法可以参见“Hartmann-Shack wavefrontsensing and wavefront control algorithm，”Wen-Han Jiang，Hua-gui Li，SPIE Vol.1271(1990)中所介绍的。

本发明权利要求和说明书未详细描述的部分属于本领域技术人员公知的技术。

Claims (2)

1.用于惯性约束聚变装置的全光路像差的测量和校正方法，其特征在于：将哈特曼波前传感器放置在惯性约束聚变装置中激光放大器之后的光路中探测近场波前，将反射变形镜放置在哈特曼波前传感器之前的光路中，将CCD放置在全光路远场，以探测焦斑强度分布，惯性约束聚变装置像差分为动态和静态两类，即全光路动态像差和全光路静态像差，所述惯性约束聚变装置的全光路像差为全光路动态像差和全光路静态像差之和，所述全光路动态像差由所述哈特曼波前传感器单独测量：首先让惯性约束聚变装置发射静态弱光，所述哈特曼波前传感器记录下静态参考波前，当惯性约束聚变装置发射动态强光时，所述哈特曼波前传感器再次记录下波前，两次波前之差即为动态像差；全光路静态相差由所述反射变形镜、所述哈特曼波前传感器和所述远场CCD相互配合共同测量：当惯性约束聚变装置发射静态弱光时，驱动所述反射变形镜数次，使之调制不同的波前与主光路像差相叠加，此时整个惯性约束聚变装置光学系统的远场焦斑也发生各种不同的变化，所述哈特曼波前传感器记录下所述反射变形镜调制的不同波前，同时所述远场CCD记录下相应的远场强度；根据记录下的不同近场调制波前和相应的远场强度数据对，利用迭代算法计算出惯性约束聚变装置全光路静态像差；根据测量到的全光路像差，驱动所述反射变形镜将该像差校正；

所述的迭代算法步骤如下：

(1)假设一个具体的近场初始相差φ₀，与已知|A₀|构成近场复振幅|A₀|exp(i2πφ₀)，将近场复振幅进行傅立叶变换得到远场复振幅|I′₀|exp(i2πψ₀)，用已知的远场|I₀|替换|I′₀|得到修正的远场复振幅|I₀|exp(i2πψ₀)，并将其进行傅立叶逆变换得到近场复振幅

提取出相差

(2)利用

与已知的φ₁和|A₁|构成近场复振幅

将其进行傅立叶变换得到远场复振幅|I′₁|exp(i2πψ₁)，用已知的远场|I₁|替换|I′₁|得到修正的远场复振幅|I₁|exp(i2πψ₁)，并将其进行傅立叶逆变换得到近场复振幅提取出相差

(3)利用与步骤(2)所述步骤相同的方法计算出相差

n为驱动所述反射变形镜的次数；

(4)令

从步骤(1)开始循环整个迭代过程，直到迭代误差ε≤c时停止迭代，输出相差φ₀即为所求全光路静态相差，其中迭代误差ε＝∑[|A₀|-|A′_n|]²/∑|A₀|²。

2.根据权利要求1所述的用于惯性约束聚变装置全光路像差的测量和校正方法，其特征在于：所述驱动反射变形镜的驱动次数为5-6次。

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