“神光”裝置大尺寸衍射光學元件設計及其應用研究.pdf

1、本論文是圍繞863-804項目，“用于ICF(慣性約束核聚變：InertialConfinement Fusion)系統(tǒng)激光束勻滑的大尺寸衍射光學元件的研制”這一主題展開的工程應用型研究工作，在結合“神光”裝置需求的基礎上，對元件的設計、加工、測試和應用等方面進行了系統(tǒng)的論述，所取得主要成果如下： ◆結合搜索優(yōu)化思想的分步迭代設計方法基于線性變換的迭代方法具有簡單、快捷、收斂速度快的特點，因而被廣泛的采用。這類方法的關鍵是迭代過

2、程中的“反饋”是否有效，其直接影響到算法的效率。分步迭代方法基于迭代的框架，在保證迭代方法快速高效的前提下，結合優(yōu)化的思想對每步迭代反饋中的參數進行有目的的選擇，加強對輸出結果的控制，提高設計指標。不同設計方法的設計結果對比，以及使用該方法設計所得實際元件的性能指標都證明了該方法的優(yōu)越性。 ◆空間頻域優(yōu)化設計方法基于搜索的優(yōu)化設計方法對于焦面的光強分布控制能力很強，能有效提高焦面光強的均勻性。但是其缺點是搜索效率不高，近乎窮舉式

3、的搜索方式需要消耗大量的計算時間。如何設定搜索的路徑是提高優(yōu)化效率的關鍵?？臻g頻域優(yōu)化設計方法是在搜索優(yōu)化的基礎上，從空間頻域的角度開辟一條新的途徑。其意義不在于算法內容本身，而是在于對空間頻譜進行優(yōu)化這一思想的引入。該方法基于對焦面光強的空間頻譜分析，在頻域內選取優(yōu)化目標和費用函數，通過控制焦斑中的低頻調制成分，提高元件的實際應用性能。與已有空域優(yōu)化方法的對比證明了該方法的有效性。 ◆現階段工藝可行的多臺階型DOE的離子束套刻

4、方案衍射光學元件的加工方法很多，在ICF驅動器均勻照明用DOE的研究過程中，針對DOE的設計和加工我們進行了多種方案的嘗試。通過理論和實驗論證，相比較于連續(xù)位相元件的離子束旋轉刻蝕方案和隨機位相元件的掩?？涛g方案，多臺階型DOE的離子束套刻方案是在現有工藝條件下解決元件寬容度和工藝誤差的矛盾，縮小設計和實測元件性能指標差異的有效途徑。 ◆兩組外徑100mm多臺階DOE元件的設計、加工和測試根據不同的設計參數，采用多臺階型位相元件

5、的離子束套刻方案，設計并制作了兩組外徑100mm(有效尺寸口徑分別為80mm和70mm)的位相元件，分別實現了矩形和圓形焦斑的束勻滑。測試結果和數據分析結果顯示了元件良好的應用性能，驗證了設計方法和工藝可行性。通過對各類工藝誤差的數值模擬分析，為設計方法和工藝過程的改進提供了依據。同時誤差模擬結果也表明采用改進雜化算法設計的多臺階型DOE具有較強的工藝誤差寬容度。 ◆大尺寸元件在ICF中的應用前景分析相對小尺寸元件試制的成功，標

6、志著用于ICF驅動器束勻滑大尺寸DOE的研制工作已經進入了實用化的階段。與實際裝置使用的列陣透鏡系統(tǒng)的性能對比表明大尺寸DOE已經具備了實用化的必要條件。綜合六尺寸元件的特殊性和實際應用靶場條件的限制，通過元件的設計和對各類測試誤差的模擬，本論文分析了實用化的難點，并提出了相應的改進方案。理論設計結果表明，通過使用分區(qū)域設計DOE的方法能夠得到在一定照明口徑下都保持較高勻滑性能的DOE，能從設計上提高DOE的照明口徑寬容性和抗橫向對準誤

7、差的能力。 ◆與SSD(譜色散平滑：Smoothing by Spectrum Dispersion)聯用的DOE設計方案鑒于ICF系統(tǒng)對靶面光束均勻性的苛刻要求，僅僅依靠DOE單一元件來實現束勻滑是十分困難的。因此，SSD技術的應用受到了廣泛的關注，并且初步的聯用實驗已經驗證了DOE與SSD聯用的效果。結合聯用的SSD參數有針對性的改進DOE的設計方法，成為進一步提高DOE應用性能的有效途徑。本論文中，我們從空間頻頻譜的角度出