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“神光”装置大尺寸衍射光学元件设计及其应用研究

作　者: 张巍
导　师: 李永平
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 光学
关键词: 衍射光学元件(DOE) 均匀照明束匀滑空间频谱分步迭代
分类号: O436.1
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 357次
引　用: 2次
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内容摘要

本论文是围绕863-804项目，“用于ICF(惯性约束核聚变：Inertial Confinement Fusion)系统激光束匀滑的大尺寸衍射光学元件的研制”这一主题展开的工程应用型研究工作，在结合“神光”装置需求的基础上，对元件的设计、加工、测试和应用等方面进行了系统的论述，所取得主要成果如下：◆结合搜索优化思想的分步迭代设计方法基于线性变换的迭代方法具有简单、快捷、收敛速度快的特点，因而被广泛的采用。这类方法的关键是迭代过程中的“反馈”是否有效，其直接影响到算法的效率。分步迭代方法基于迭代的框架，在保证迭代方法快速高效的前提下，结合优化的思想对每步迭代反馈中的参数进行有目的的选择，加强对输出结果的控制，提高设计指标。不同设计方法的设计结果对比，以及使用该方法设计所得实际元件的性能指标都证明了该方法的优越性。◆空间频域优化设计方法基于搜索的优化设计方法对于焦面的光强分布控制能力很强，能有效提高焦面光强的均匀性。但是其缺点是搜索效率不高，近乎穷举式的搜索方式需要消耗大量的计算时间。如何设定搜索的路径是提高优化效率的关键。空间频域优化设计方法是在搜索优化的基础上，从空间频域的角度开辟一条新的途径。其意义不在于算法内容本身，而是在于对空间频谱进行优化这一思想的引入。该方法基于对焦面光强的空间频谱分析，在频域内选取优化目标和费用函数，通过控制焦斑中的低频调制成分，提高元件的实际应用性能。与已有空域优化方法的对比证明了该方法的有效性。◆现阶段工艺可行的多台阶型DOE的离子束套刻方案衍射光学元件的加工方法很多，在ICF驱动器均匀照明用DOE的研究过程中，针对DOE的设计和加工我们进行了多种方案的尝试。通过理论和实验论证，相比较于连续位相元件的离子束旋转刻蚀方案和随机位相元件的掩模刻蚀方案，多台阶型DOE的离子束套刻方案是在现有工艺条件下解决元件宽容度和工艺误差的矛盾，缩小设计和实测元件性能指标差异的有效途径。◆两组外径100mm多台阶DOE元件的设计、加工和测试根据不同的设计参数，采用多台阶型位相元件的离子束套刻方案，设计并制作了两组外径100mm(有效尺寸口径分别为80mm和70mm)的位相元件，分别实现了矩形和圆形焦斑的束匀滑。测试结果和数据分析结果显示了元件良好的应用性能，验证了设计方法和工艺可行性。通过对各类工艺误差的数值模拟分析，为设计方法和工艺过程的改进提供了依据。同时误差模拟结果也表明采用改进杂化算法设计的多台阶型DOE具有较强的工艺误差宽容度。◆大尺寸元件在ICF中的应用前景分析相对小尺寸元件试制的成功，标志着用于ICF驱动器束匀滑大尺寸DOE的研制工作已经进入了实用化的阶段。与实际装置使用的列阵透镜系统的性能对比表明大尺寸DOE已经具备了实用化的必要条件。综合大尺寸元件的特殊性和实际应用靶场条件的限制，通过元件的设计和对各类测试误差的模拟，本论文分析了实用化的难点，并提出了相应的改进方案。理论设计结果表明，通过使用分区域设计DOE的方法能够得到在一定照明口径下都保持较高匀滑性能的DOE，能从设计上提高DOE的照明口径宽容性和抗横向对准误差的能力。◆与SSD(谱色散平滑：Smoothing by Spectrum Dispersion)联用的DOE设计方案鉴于ICF系统对靶面光束均匀性的苛刻要求，仅仅依靠DOE单一元件来实现束匀滑是十分困难的。因此，SSD技术的应用受到了广泛的关注，并且初步的联用实验已经验证了DOE与SSD联用的效果。结合联用的SSD参数有针对性的改进DOE的设计方法，成为进一步提高DOE应用性能的有效途径。本论文中，我们从空间频频谱的角度出发，根据SSD对焦面光强频谱调制的特点，本着互补的原则，采用空间频域优化方法设计DOE，使其对焦面光强频谱中，SSD作用较弱区域内的空间调制加以控制。通过两者的共同作用实现更好的束匀滑效果。初步的DOE设计结果和元件的联用效果对比，证明了该方案的可行性。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第一章绪论  12-26
  1.1 衍射光学元件概述  12-15
  1.2 用于惯性约束核聚变的衍射光学元件  15-20
    1.2.1 惯性约束核聚变—ICF技术简述  15-18
    1.2.2 衍射光学元件在ICF中的应用  18
    1.2.3 元件性能的评价指标  18-20
  1.3 本论文主要研究内容  20-22
  参考文献  22-26
第二章衍射光学元件的设计原理及方法  26-49
  2.1 衍射光学元件设计原理  26-27
  2.2 均匀照明用衍射光学元件的理论设计模型  27-29
  2.3 常用设计方法回顾  29-37
    2.3.1 基于Fourier变换的迭代方法  29-33
    2.3.2 搜索及优化方法  33-36
    2.3.3.杂化算法  36-37
  2.4 分步迭代方法  37-38
  2.5 空间频域优化设计方法  38-45
    2.5.1 空域优化设计方法的局限性  39
    2.5.2 焦面光强的空间频谱分析  39-42
    2.5.3 空间频域优化方法原理  42-43
    2.5.4 设计结果及对比  43-45
  2.6 本章小节  45-47
  参考文献  47-49
第三章衍射光学元件的制作工艺方案  49-61
  3.1 衍射光学元件的常用加工方法  49-53
  3.2 衍射光学元件工艺方案回顾  53-57
    3.2.1 连续位相元件及旋转刻蚀工艺  53-55
    3.2.2 随机位相元件及掩摸刻蚀工艺  55-57
  3.3 台阶型位相元件及多掩摸套刻工艺  57-59
    3.3.1 设计方法的可行性分析  57-58
    3.3.2 加工工艺的可行性分析  58-59
  3.4 本章小节  59-60
  参考文献  60-61
第四章 ICF用衍射光学元件设计实例及性能分析  61-80
  4.1 口径80mm元件的设计和测试  61-69
    4.1.1 设计参数及结果  61-62
    4.1.2 测试结果  62-64
    4.1.3 工艺误差分析  64-68
    4.1.4 结果分析和讨论  68-69
  4.2 口径70mm元件的设计和测试  69-75
    4.2.1 设计参数及结果  69-71
    4.2.2 测试结果  71-72
    4.2.3 工艺误差分析  72-74
    4.2.4 结果分析和讨论  74-75
  4.3 测试系统介绍  75-78
  4.4 本章小节  78-80
第五章大尺寸衍射光学元件的应用  80-97
  5.1 大尺寸元件的应用前景分析  80-85
    5.1.1 透镜列阵技术简介  80-83
    5.1.2 透镜列阵与多台阶DOE测试结果对比  83-85
  5.2 大尺寸元件实用化的难点  85-87
  5.3 大尺寸元件的设计  87-92
    5.3.1 设计参数及结果  87-88
    5.3.2 测试系统误差分析  88-92
  5.4 针对大尺寸元件的改进方案  92-94
  5.5 本章小节  94-96
  参考文献  96-97
第六章与SSD联用的DOE设计  97-108
  6.1 SSD技术简介  97-101
  6.2 SSD与DOE联用的测试  101-102
  6.3 与SSD联用的DOE设计方案  102-105
  6.4 本章小节  105-107
  参考文献  107-108
第七章总结与展望  108-111
  7.1 总结  108-109
  7.2 展望  109-111
攻读学位期间所做的工作  111-112
致谢  112

“神光”装置大尺寸衍射光学元件设计及其应用研究

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