徐林波盧興強 雷澤民2)

1)(中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所,高功率激光物理聯(lián)合實驗室,上海 201800)

2)(中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

1 引 言

末端輸出光束質(zhì)量的好壞是影響高功率激光驅(qū)動器負載能力提升的重要因素之一[1].分布在世界各國的高功率激光驅(qū)動器裝置有美國的國家點火裝置(NIF)[2]、法國的兆焦耳激光器(LMJ)[3]、英國的MAGPIE[4]、俄羅斯的Iskra-6[5]、中國的神光II[6]和神光III[7]等.這些激光裝置的光路設(shè)計有一個共同點,就是在放大鏈路末端都是助推放大器配合傳輸空間濾波器的結(jié)構(gòu).根據(jù)神光系列激光裝置實驗結(jié)果和相關(guān)文獻報道[8?10],傳輸空間濾波器的注入透鏡損傷是限制激光驅(qū)動器裝置輸出通量提升的重要因素.在光路設(shè)計中采取措施保護好這塊透鏡至關(guān)重要.

實驗與相關(guān)研究表明,傳輸空間濾波器透鏡受到的損傷和光束的小尺度調(diào)制現(xiàn)象有關(guān)[11,12].由于光路前級空間濾波器的存在,激光驅(qū)動器輸出光束質(zhì)量主要受末級放大段內(nèi)大口徑光學(xué)元件波前特性的影響[13].在相關(guān)研究方面,周麗丹等[14?16]研究了高功率固體激光裝置光學(xué)元件“缺陷”分布的功率譜密度方法及等效求法,并且針對線性介質(zhì)、非線性介質(zhì)以及空間濾波器的情況,研究了功率譜密度與光束近場強度分布的定量關(guān)系,還研究了光學(xué)元件“缺陷”密度對助推放大級光束質(zhì)量的影響.針對光學(xué)元件波前畸變產(chǎn)生的原因,文獻[17,18]研究了激光二極管抽運氦氣冷卻釹玻璃疊片激光放大器熱致波前畸變,對于高功率激光光束,薄光學(xué)元件局部熱變形對光束的擾動是產(chǎn)生較高光強調(diào)制的重要原因.文獻[19]研究了光學(xué)元件波前畸變與遠場斯特列爾比的定量關(guān)系.但從高功率激光裝置的負載能力的角度出發(fā),對光學(xué)元件面形與光路排布的影響的研究并不是很充分.

本文基于衍射光學(xué)傳播理論,研究解決末級放大段內(nèi)的大口徑光學(xué)元件面形特性對光束近場質(zhì)量的影響,尋求有利于裝置負載能力提升的光路排布措施.首先給出研究所用的理論模型和理論計算工具;其次通過理論計算,對比研究單片大口徑元件波前和多片組合的大口徑元件波前對驅(qū)動器末端輸出光束近場質(zhì)量的影響特性;最終給出如何通過優(yōu)化激光驅(qū)動器的光路設(shè)計,才能有效規(guī)避大口徑光學(xué)元件面型特性對驅(qū)動器輸出負載能力提升的不利影響,從而使激光驅(qū)動器裝置獲得更高的輸出能力水平.本文研究工作基于激光物理、光學(xué)與光路設(shè)計Laser Designer軟件開展,取得的研究成果對激光驅(qū)動器末級光束質(zhì)量的評估、提升和控制有重要參考價值,同時也可為大口徑光學(xué)元件的加工特性優(yōu)化提供一定的參考.

2 理論模型

激光物理、光學(xué)與光路設(shè)計Laser Designer軟件有駐波諧振腔系統(tǒng)設(shè)計、行波諧振腔系統(tǒng)設(shè)計、幾何光傳播系統(tǒng)設(shè)計、激光脈沖放大系統(tǒng)設(shè)計和光束衍射傳播系統(tǒng)設(shè)計五大理論計算功能,曾用來承擔(dān)并完成了神光II升級激光裝置和A構(gòu)型驗證激光裝置的物理、光學(xué)和光路設(shè)計.其中,Laser Designer軟件的光束衍射傳播系統(tǒng)設(shè)計模塊可以調(diào)用ZYGO干涉儀實際測量到的大口徑光學(xué)元件的面形數(shù)據(jù)計算光束在空間中傳播時的近場和遠場演化特性.使用的計算理論模型為

式中,n0為線性折射率,n2為非線性折射率系數(shù),k=2π/λ,α和β分別為介質(zhì)的損耗和增益系數(shù).

在利用分布傅里葉變換法數(shù)值求解方程(1)時,使用的方形激光脈沖表示為

式中,A0為信號振幅;nx,ny分別表示激光脈沖x,y方向上的空間分布(當nx,ny=1時為高斯分布,當nx,ny＞1時為超高斯分布);ax,ay分別為x,y方向上的半高全寬,m表示不同的脈沖時間波形,t為時間坐標,τ為脈沖時間波形的半高全寬.

高功率激光裝置的末級放大光路都可以等效為圖1所示的形式.

圖1 高功率激光裝置的末級放大光路示意圖Fig.1.Schematic diagram of fi nal stage amplifying light path in high power laser device.

圖1中CSF為前級空間濾波器,可以把高功率激光驅(qū)動器前級光路引入的高頻調(diào)制成分濾掉,光學(xué)元件PA1—PA5為出現(xiàn)在末端放大光路內(nèi)的大口徑光學(xué)元件,L為最后一塊大口徑光學(xué)元件到末級空間濾波器的距離.由于在實驗過程中末級空間濾波器的注入透鏡L3是最容易被損傷的大口徑光學(xué)元件,因此本文重點研究由大口徑光學(xué)元件PA1—PA5對距離L段內(nèi)的近場光束質(zhì)量的影響.

L段內(nèi)的近場光束質(zhì)量可以采用光束填充因子為指標評價,定義為

式中Iavg和Imax分別表示空間光強分布的平均強度和峰值強度.另外,為評價大口徑光學(xué)元件透射波前特性對光束質(zhì)量的單獨影響程度,又引入相對填充因子的概念:

其中Fidea表示入射大口徑光學(xué)元件PA1的光束經(jīng)自由空間傳播到L段內(nèi)的填充因子,Freal表示入射大口徑光學(xué)元件PA1的光束依次經(jīng)過光學(xué)元件PA1—PA5后,傳播到L段內(nèi)的填充因子.相對填充因子越小,表示末級放大段內(nèi)的大口徑光學(xué)元件對出射光束質(zhì)量的影響越厲害.當相對填充因子等于1時,末級放大段內(nèi)的大口徑元件的透射波前特性對末級輸出光束質(zhì)量沒有影響.

在計算過程中,為更好地了解光束中的高頻成分對相對填充因子的影響,還采用了64 bits的Laser Designer軟件對計算結(jié)果進行了驗證,64 bits Laser Designer軟件可以用很高的分配內(nèi)存兼顧大口徑光束中的小尺度光場調(diào)制現(xiàn)象進行研究,又采用并行計算的方法成功解決了因分配內(nèi)存太大而導(dǎo)致的計算時間過長問題,研究效率得到大幅度提升.

3 數(shù)值模擬

為得到有更高置信的研究結(jié)果,計算采用的大口徑光學(xué)元件面形數(shù)據(jù)來自ZYGO干涉儀實際測量的神光II A構(gòu)型末級助推放大段釹玻璃的面形數(shù)據(jù),釹玻璃之間的排布距離參數(shù)和神光II A構(gòu)型驗證系統(tǒng)一致.

采用的5張釹玻璃片的實測面型分布如圖2所示,350 mm×350 mm口徑內(nèi)波前分布的峰谷(PV)值分別為0.341λ,0.277λ,0.278λ,0.239λ,0.241λ,合計共1.376λ.

圖2 神光II A構(gòu)型末級助推放大段釹玻璃的面形數(shù)據(jù)Fig.2.Wavefront data of neodymium glass on Shenguang II A con fi guration power ampli fi er section.

模擬計算中使用的入射激光的中心波長為1053 nm,脈寬為5 ns,激光束的空間分布為10階超高斯分布,半高全寬光束口徑為300 mm×300 mm,平均通量密度為19 J/cm2,與神光II A構(gòu)型驗證系統(tǒng)實驗中的最高輸出激光通量相當.使用的釹玻璃的厚度為40 mm,布儒斯特角放置,非線性折射率系數(shù)取1.2×10?13esu.

文獻[20]指出,根據(jù)激光慣性約束聚變驅(qū)動器打靶對焦斑的要求以及不同空間頻率位相畸變對光束質(zhì)量的不同影響將波前畸變劃分為4個區(qū)域.

1)低頻段(空間頻率υ低于1/33 mm?1)的波前畸變主要決定焦斑主瓣大小,因此對基頻激光順利過孔(空間濾波器小孔)和打靶激光進洞有影響.

2)中頻段(空間頻率υ在1/33—1/0.12 mm?1之間)的波前畸變,主要影響光束的近場調(diào)制.根據(jù)中頻段波前畸變的不同非線性增長,又將該頻段分成兩部分:PSD1段(1/33—1/2.5 mm?1)和PSD2段(1/2.5—1/0.12 mm?1).PSD1段的位相畸變,主要影響焦斑旁瓣,具有一定的非線性增長,但是非線性增長較低;PSD2段的位相畸變非線性增長非常高,容易形成小尺度自聚焦,增大元件損傷風(fēng)險.

3)高頻段(空間頻率υ高于1/0.12 mm?1)的波前畸變對非線性增益沒有貢獻,對能量損耗略有影響.

3.1 波前畸變對光束質(zhì)量的影響

根據(jù)波前畸變的分解,首先研究計算僅有單片大口徑光學(xué)元件PA1時圖1中L段內(nèi)的光束填充因子的變化.圖3(a)為采用薄片近似不考慮釹玻璃厚度的情況,圖3(b)為考慮釹玻璃厚度的計算情況.分析圖3(a)和圖3(b),當不考慮光束經(jīng)過光學(xué)元件的非線性效應(yīng)時,可以發(fā)現(xiàn)低頻段波前畸變和高頻段波前畸變對光束質(zhì)量的影響最小;空間周期為0.12—2.50 mm的中頻波段波前畸變,會使光束質(zhì)量在光學(xué)元件后端1—2 m處下降至最低值,這個頻段的波前畸變對光束的調(diào)制作用會在光束的后續(xù)傳輸中由于衍射而逐漸降低;空間周期為2.5—33.0 mm的中頻波段波前畸變對出射光束的光束質(zhì)量影響最大,最多能使近場光束質(zhì)量下降約10%.考慮光束傳播經(jīng)過非線性介質(zhì)的自聚焦效應(yīng)時,中頻波段波前畸變對光束填充因子的下降效果更加明顯.如圖3(b)所示,中頻波段波前畸變在單片大口徑光學(xué)元件中的非線性傳輸最多能造成光束質(zhì)量下降約20%,在一定程度上限制了高功率激光驅(qū)動裝置的輸出負載能力.

圖3 PV值為0.3λ時不同頻率的波前畸變對光束質(zhì)量的影響隨著傳播距離的變化 (a)不考慮釹玻璃厚度;(b)考慮釹玻璃厚度Fig.3.When the peak-to-valley of wavefront aberrance reaches 0.3λ,the Influence of wavefront aberrance at different frequencies on beam relative fi lling factor with the change of propagation length:(a)Not considering the thickness of neodymium glass;(b)considering the thickness of neodymium glass.

圖4 僅改變PV值時不同頻率的波前畸變對光束質(zhì)量的影響隨著傳播距離的變化 (a)PV值為0.341λ;(b)PV值為1.36λFig.4.Changing the peak-to-valley of wavefront aberrance,Influence of wavefront aberrance at different frequencies on beam relative fi lling factor with the change of propagation length:(a)When the peak-to-valley of wavefront aberrance reaches 0.341λ;(b)when the peak-to-valley of wavefront aberrance reaches 1.36λ.

大口徑光學(xué)元件不僅來源于其加工誤差,在裝夾過程中引入的波前畸變和驅(qū)動器運行時帶入的一系列動態(tài)因素都有可能使光學(xué)元件的波前畸變得到放大.模擬計算僅有單片大口徑光學(xué)元件PA1時圖1中L段內(nèi)的光束填充因子的變化.圖4(b)表示當波前畸變放大4倍之后的情況.對比圖4(a)和圖4(b),可以發(fā)現(xiàn),在光束經(jīng)過一片光學(xué)元件傳播時,光學(xué)元件的波前畸變峰谷值越大,末端光束的質(zhì)量越差.不改變光學(xué)元件波前畸變的空間分布,只改變其畸變的幅度時,波前畸變對光束質(zhì)量的影響幅度也有所提升.當波前畸變峰谷值達到1.36λ時,空間周期為2.5—33.0 mm的中頻波段波前畸變最多會對光束質(zhì)量的下降約21%,對于工作在接近光學(xué)元件損傷閾值附近的高功率激光裝置,極有可能造成光學(xué)元件的損傷.

在多程放大的高功率激光驅(qū)動系統(tǒng)中,放大鏈路末端都是助推放大器配合傳輸空間濾波器的結(jié)構(gòu).如圖1所示,光束需要經(jīng)過5片大口徑光學(xué)元件才能傳輸至下級空間濾波器,需要考慮不同釹玻璃靜態(tài)波前之間的相互影響.模擬計算圖1所示的光路中,光束經(jīng)過5片不同的釹玻璃傳播后近場光束質(zhì)量隨傳播距離的變化規(guī)律,其中圖5(a)表示不考慮釹玻璃厚度的情況,圖5(b)表示考慮釹玻璃厚度的情況.分析圖3(a),圖5(a)和圖5(b),發(fā)現(xiàn)無論經(jīng)過一片還是多片光學(xué)元件,低頻段波前畸變和高頻段波前畸變都對光束影響質(zhì)量影響最小,并且對光束影響較平穩(wěn),不會出現(xiàn)峰值.由圖4(b)和圖5(a)對比可知,在薄片近似的情況下,對于中頻段波前畸變,在經(jīng)過不同的多片大口徑光學(xué)元件疊加之后,近場光束質(zhì)量對比僅有單片時的情況有所提升.其中,空間周期為0.12—2.50 mm的PSD1段波前畸變,在經(jīng)過相消疊加之后,對近場光束質(zhì)量有大約5%的提升.對于空間周期為2.5—33.0 mm的中頻波段,波前分布特性不同的多片大口徑光學(xué)元件的波前相消疊加對光束質(zhì)量最大提高約8%,在一定程度上降低了中頻波前部分對裝置負載能力的影響.當考慮非線性效應(yīng)的影響時,PSD1段和PSD2段波前畸變分別會對光束質(zhì)量多降低約4%—6%,加大了中頻段波前畸變對裝置輸出負載能力的降低.并且光束質(zhì)量最差處相比較薄片近似情況下會提前1—2 m出現(xiàn),更容易造成排布緊湊的光學(xué)元件的損傷.在光學(xué)元件后表面2—3 m處,相對填充因子將會降至84%,在控制末級最大輸出激光通量不超過20 J/cm2的前提下,光學(xué)元件排布緊湊的光路設(shè)計方案末級輸入激光的通量控制在16.8 J/cm2之下不易損傷光學(xué)元件.末端光束經(jīng)過6 m的傳輸之后,由于光束在自由空間的衍射作用,相對填充因子有所提高且趨于平穩(wěn),驅(qū)動器末級光路的排布間隔如果控制在6 m以上,將非常有助于提高激光驅(qū)動器的輸出負載能力.

圖5 經(jīng)過5片不同的釹玻璃片時不同頻率的波前畸變對光束質(zhì)量的影響 (a)不考慮釹玻璃厚度;(b)考慮釹玻璃厚度Fig.5.When the beam propagates through fi ve different neodymium glasses,the Influence of wavefront aberrance at different frequencies on beam relative fi lling factor with the change of propagation length:(a)Not considering the thickness of neodymium glass;(b)considering the thickness of neodymium glass.

3.2 數(shù)值模擬冗余度分析

實際情況下靜態(tài)波前的變動,可能會對相對填充因子產(chǎn)生一定的影響.由表1可知,隨著波前畸變PV值的增加,近場光束的填充因子在不斷地下降,兩者之間呈線性關(guān)系.因此,在元件的加工過程中盡量減少光學(xué)元件的波前畸變,對于提高高功率激光驅(qū)動裝置的負載能力很有幫助.

表1 不同波前畸變對填充因子的影響Table 1.Influence of different wavefront aberrance on relative fi lling factor.

神光II等高功率激光驅(qū)動裝置中,入射至助推級放大段的光束在經(jīng)過空間濾波器之后,可以濾去大部分的高頻分量,在前面的主放大段,由于AO變形鏡的調(diào)整,可以勻滑一部分的低頻畸變[21,22].在入射至助推級放大段時,前面會經(jīng)過兩塊反射鏡和放大器前端的窗口,因此,模擬了理想的高斯光束經(jīng)過8塊大口徑光學(xué)元件的情況下,光學(xué)元件的波前畸變對近場光束填充因子的影響.計算結(jié)果表明,在經(jīng)過8片大口徑光學(xué)元件的總波前畸變?yōu)?.317λ,理想高斯光束經(jīng)過傳播后,空間周期為2.5—33.0 mm的中頻波段波前畸變依舊對光束質(zhì)量的影響最大,光束相對填充因子最多下降19%.對于工作在抗損傷閾值附近的高功率激光驅(qū)動裝置,在允許光束質(zhì)量下降15%的前提下,應(yīng)該控制單個光學(xué)元件加工PV值不高于0.26λ.

3.3 對高功率激光驅(qū)動器光路排布的啟示

對比法國LMJ和美國NIF模擬光路排布的特點,雖然其前端和預(yù)放的光路有所不同,但是在放大鏈路的末端均采用助推放大器和傳輸空間濾波器的結(jié)構(gòu).并且,為了避免在高通量下的激光光束對空間濾波器的注入透鏡的損傷,其均將釹玻璃片出口到空間濾波注入透鏡的距離設(shè)置在6 m以上.上海光學(xué)精密機械研究所神光II A構(gòu)型光路末端釹玻璃片出口到空間濾波注入透鏡的距離為7460 mm,在這種排布情況下得到了很高的輸出能力.

對于大部分運行在接近光學(xué)元件損傷閾值附近的高功率激光管裝置,如果近場光束填充因子不夠高,將嚴重威脅到下游光學(xué)元件的安全,導(dǎo)致整個激光驅(qū)動器的負載能力下降很多.因此為了提高高功率激光驅(qū)動器的輸出能力,在允許光束質(zhì)量下降15%的前提下,應(yīng)該控制光學(xué)元件整體加工PV值在1.3λ以下,考慮到不同光學(xué)元件波前畸變的相消疊加,單個光學(xué)元件平均加工PV值應(yīng)不高于0.26λ.

4 結(jié) 論

在高功率激光驅(qū)動系統(tǒng)中,需要經(jīng)過很多大口徑光學(xué)元件的放大才能滿足物理實驗的需求.而經(jīng)過光學(xué)元件時會不可避免地帶入波前相位畸變,嚴重影響驅(qū)動器末端的光束質(zhì)量.本文采用具有置信度的高功率激光設(shè)計軟件Laser Designer對大口徑光學(xué)元件不同波前畸變對驅(qū)動器末端光束質(zhì)量的影響做了數(shù)值模擬和分析.研究表明,當單片大口徑光學(xué)元件的波前PV值小于0.34λ時,中頻波段的波前畸變對光束質(zhì)量影響最大,在光學(xué)元件的加工過程中應(yīng)當盡量避免這個頻段波前畸變的產(chǎn)生.當單片大口徑光學(xué)元件的波前PV值達到1.36λ時,中頻段波前畸變最多會影響光束質(zhì)量下降約21%,極易造成下游光學(xué)元件的損傷.多片大口徑光學(xué)元件波前的相消疊加在一定程度上降低了中頻波前部分對裝置負載能力的影響,有利于提升激光驅(qū)動器的輸出負載能力,高通量傳播條件下的非線性效應(yīng)對光束近場填充因子有一定程度的降低.在控制末級最大輸出激光通量不超過20 J/cm2前提下,光學(xué)元件排布緊湊的光路設(shè)計方案末級輸入激光的通量控制在16.8 J/cm2之下不易損傷光學(xué)元件.驅(qū)動器末級光路的排布間隔如果控制在6 m以上,將非常有助于提高激光驅(qū)動器的輸出負載能力.對于高功率激光裝置的末級放大光路,在允許光束質(zhì)量下降15%的前提下,單個光學(xué)元件加工PV值應(yīng)該在0.26λ以下,并且隨著光學(xué)元件數(shù)量的增加,對光學(xué)元件加工質(zhì)量的要求逐漸提高.該研究結(jié)果可評估光學(xué)元件加工面形對負載能力提升的影響,對指導(dǎo)光學(xué)元件加工面形控制以及驅(qū)動器末級光束質(zhì)量的評估和控制有重要參考價值.

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[21]Peng X Y 2008M.S.Dissertation(Shanghai:Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics)(in Chinese)[龐向陽 2008碩士學(xué)位論文 (上海:上海光學(xué)精密機械研究所)]

[22]Wan D J 2007M.S.Dissertation(Mianyang:China Academy of Engineering Physics)(in Chinese)[代萬俊2007 碩士學(xué)位論文(綿陽:中國工程物理研究院)]