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0431-81702023
光學工程
自適應光學技術在慣性約束聚變領域應用的新進展

摘要 在慣性約束聚變(ICF)領域,采用自適應光學(AO)技術進行波前控制是解決ICF激光系統中光束質量問題的重要手段。報道了“神光Ⅲ”原型裝置中8套工程化自適應光學系統、未來ICF系統發展所需的大口徑可拆卸變形鏡(DM)樣鏡研制以及ICF自適應光學波前控制技術的最新研究進展。8套工程化自適應光學系統在“神光Ⅲ” 原型裝置上實現了到靶點的全系統靜態像差校正,改善了靶點焦斑能量分布,驗證了校正對打靶時 X 射線分布的改善效果。所研制的17單元大口徑可拆卸變形鏡的口徑為284mm×284mm,行程大于±6μm,諧振頻率大于500Hz。在ICF自適應光學波前控制技術中,采用了基于哈特曼傳感器近場相位測量的控制方法和基于靶室遠場的隨機并行梯度下降(SPGD)控制方法均能取得良好的校正性能。

關鍵詞 自適應光學;慣性約束聚變;可拆卸變形鏡;波前控制算法

1 引 言

      在慣性約束聚變(ICF)大規模高功率固體激光裝置中,有很多因素導致系統輸出的激光光束質量下降,其中既有靜態的波前畸變,也有動態相位變化。用作ICF 驅動器的激光系統中都存在大量大口徑光學元件,靜態波前畸變主要來源于光學元件的加工誤差、材料的非均勻性等缺陷以及光學裝校過程帶來的元件面性變化等;動態波前畸變是與激光系統的工作過程和工作參數有關的,它主要來源于激光抽運過程中產生的元件熱變形,同時也包括由工作環境所帶來的畸變。激光光束質量的下降給ICF激光系統帶來的影響不僅僅在于光束聚焦特性下降;由于光束聚焦時焦斑上的能量發散,進而還將導致系統工作過程中的等離子體堵孔問題;較大的像差還可能進一步帶來系統三倍頻系統的效率下降。隨著激光裝置規模的逐步升級,光束質量問題也將表現得更為突出。

      提高大口徑光學元件加工能力和光學系統裝校技術水平是改善ICF 激光系統光束質量的基本方法。然而,受限于現有的工藝水平,在短時間內通過這一方法顯然難以滿足ICF 系統對光束質量的要求;同時,系統中的動態波前畸變是難以通過光學加工手段來消除的。因此,采用自適應光學(AO)技術這樣的主動波前控制手段才是解決ICF 激光系統中光束質量問題的根本途徑。在世界各國的ICF激光裝置中,自適應光學系統已經成為這些系統的基本組成部分。在美國國家點火裝置(NIF)[1,2]中,采用 了 一 塊 400 mm×400 mm 的 大 口 徑 變 形 鏡(DM)來控制光束質量;在 OMEGAEP[3,4]裝置中,采用了兩塊400mm×400mm 的大口徑變形鏡來控制激光波前;而在日本的 GEKKOXⅡ[5]中,則采用了兩塊小口徑變形鏡和一塊大口徑變形鏡來對系統中的波前分段進行精密控制。

      在國內,中國科學院光電技術研究所于1985年在世界上首次將自適應光學技術用于ICF 驅動器的波前控制,在“神光I”系統上建立了基于19單元變形鏡并采用了遠場焦斑優化控制技術(爬山法)的自適應光學系統[6],將激光器輸出光束遠場峰值能量提高了3倍;從1999年開始,又開始為“神光Ⅲ” 原型裝置的多程放大系統研制了一套基于近場相位控制技術的自適應光學系統,用于ICF激光裝置上波前控制技術的原理性研究[7]。該系統采用了一塊45單元的75mm×75mm 的變形鏡,用哈特曼傳感器作為波前探測器件,將系統的像差由13.79λ校正到了2.87λ,實現了超過10λ的波前校正[8~10];在隨后建立的“神光Ⅲ”原型裝置的第一路上,實現了對激光器主放大系統中動態波前的校正,將主激光動態發射時的遠場焦斑峰值能量提高了3倍。

      隨著8路“神光Ⅲ”原型裝置的建成,為了實現系統的光束質量指標,2007年本課題組為該系統建立了8

路高度工程化的自適應光學系統,并集成到激光系統中,對主放大系統輸出光束的靜態和動態波前進行控制。2008年,又對該自適應光學系統進行了升級,將波前校正范圍延伸到了靶點。8套工程化自適應光學系統在“神光Ⅲ”原型裝置上實現了到靶點的全系統靜態像差校正,改善了靶點焦斑能量分布。

隨著我國ICF領域技術的不斷發展,對自適應光學系統的要求也不斷提高,其中最為關鍵的技術就是大口徑變形鏡的高可靠性批量化生產。為適應未來ICF系統發展的需要,還對可批量化生產的大口徑可拆卸變形鏡進行了技術攻關,并且已經取得了顯著進展。

       在ICF自適應光學波前控制技術中,通常采用基于哈特曼傳感器近場相位測量的控制方法。為適應未來ICF波前控制技術發展需要,還開展了基于靶室遠場的隨機并行梯度下降(SPGD)控制方法,并已取得了良好的室內初步實驗結果。

      本文對“神光Ⅲ”原型裝置中8套工程化自適應光學系統、未來ICF系統發展所需的大口徑可拆卸變形鏡樣鏡研制以及ICF 自適應光學波前控制技術的最新研究進展進行了詳細報道。

2 “神光Ⅲ”原型裝置中8套工程化自適應光學系統最新研究進展

2.1 系統結構

     “神光Ⅲ”原型裝置由8束激光構成,8路自適應光學系統作為激光器的一部分嵌入到系統中,作為整個激光裝置的一部分參與系統運行。整個自適應光學系統由8塊變形反射鏡及高壓放大系統、8套閉環哈特曼波前傳感器、一套測量哈特曼傳感器、衰減系統以及基于網絡的遠程和本地控制系統等組成。圖1顯示了單路自適應光學系統的結構。每路自適應光學系統包括各自獨立的變形鏡、閉環傳感器(哈特曼傳感器Ⅰ)和控制系統,每路自適應光學系統既可以獨立運行,又可以由遠程控制系統根據裝置上實驗的需要統一調度運行。所有8路自適應光學系統共用一臺位于靶場的測量傳感器(哈特曼傳感器 Ⅱ)。

     每一路激光系統由前端及預放級、注入光學系統、主放大系統、光束取樣及縮束系統、光束傳輸變換及靶場光學系統組成。根據原型裝置最初的設計目標,自適應光學系統主要用來校正主放大系統輸出端之前的系統中的像差,以滿足系統對光束質量的要求。隨著對原型裝置上像差分布規律認識的深入,研究表明僅僅校正主放大系統的像差對系統來說是遠遠不夠的。由于靶場光學系統中還有大量大口徑光學元件,也是重要的波前畸變來源,因此將校正范圍延伸到靶場是十分必要的。

      根據“神光Ⅲ”原型裝置靶場系統的特殊結構以及靶場光學系統相對穩定的特點,自適應光學系統中采用了一套錐光入射的哈特曼傳感器(圖 1,哈特曼傳感器 Ⅱ)在靶場對所有8路激光系統的靜態像差進行測量,然后將測量數據通過特定的算法傳遞給每一路自適應光學系統的閉環波前傳感器(圖 1,哈特曼傳感器 Ⅰ),從而實現對全系統像差的校正。

2.2 變形鏡及哈特曼傳感器系統

     “神光Ⅲ”原型裝置自適應光學系統中采用了8套高精度面形、高損傷閾值變形反射鏡。變形鏡和哈特曼傳感器之間的匹配關系如圖2所示。每塊變形鏡包括45個基于 PZT 的驅動器,驅動器有效工作行程為±4λ,極限工作行程為 ±5λ,根據對原型裝置波前特性的研究,±4λ的行程足以滿足系統對像差校正能力的需要。哈特曼傳感器I包括了22× 22的微透鏡陣列,有效子孔徑數為484個,動態范圍為不小于±5λ。哈特曼傳感器Ⅰ的參數設計既可以滿足波前控制系統的要求,又能滿足裝置上對波前特性研究時較高空間采樣率的需要。位于靶場的共用哈特曼傳感器Ⅱ包括20×20的微透鏡陣列。

       圖3為用于“神光Ⅲ”原型裝置的部分變形反射鏡。其有效通光口徑為70mm×70mm,最大通光口徑為80mm×80mm。經過干涉儀測試,每塊變形鏡的靜態面形精度均方根(RMS)都不超過0.03 λ;在1ns脈沖光下,變形鏡膜系損傷閾值不小于5J/cm2。通過采用成都光電所獨特的低溫 膜 系 技術,實現對變形鏡整體組裝后高損傷閾值的高反射膜的鍍制。這些變形鏡在滿足原型裝置對膜系高損傷閾值要求的同時,又實現了高精度的鏡面面形。

      用于閉環控制的8套哈特曼傳感器不僅設計參數完全一致,在精密裝校后經過比對測試,傳感器之間的差異在系統的λ/10測量精度要求下完全可以忽略,從而滿足了原型裝置對傳感器一致性、互換性的要求。圖4顯示了8套哈特曼傳感器對同一像差進行測量的結果。

2.3 波前控制系統方案

      在“神光Ⅲ”原型裝置自適應光學波前校正系統的早期設計中,自適應光學系統只用于校正主放大系統的像差,因此,在圖1中,最初的系統設計沒有包括哈特曼傳感器Ⅱ。然而在隨著對原型裝置波前校正技術研究的深入,注意到校正了主放大系統的像差后,靶場焦斑并沒有明顯的改善,這是由于主放大器以后的光學系統仍然存在著較大的像差,因此,進行全系統的像差校正是十分必要的,所以,在靶場引入了第二套哈特曼傳感器,用于對全系統的像差進行測量,同時也可以直接用于對單束激光的全系統像差的閉環校正。

      在圖1中,全系統靜態像差由前端及注入光學系統、主放大系統、傳輸變換及靶場光學系統的像差組成;對哈特曼傳感器Ⅰ還包括取樣光學系統的像差。動態像差主要來自主放大系統中由于氙燈抽運帶來的熱畸變。主激光發射時產生的動態波前畸變由哈特曼傳感器Ⅰ測量,全系統靜態像差由哈特曼傳感器Ⅱ測量。

      圖5為位于靶點的哈特曼傳感器Ⅱ測量到的全部8束激光的靜態波前。從測量結果來看,系統靜態像差在2.9λ到5.9λ之間,從空間分布上看,像差仍然以像散為主要特征。從2.4節的分析可以看出,對這樣大小的像差,通過校正完全能滿足對光束質量的要求。

 

      由于8路自適應光學系統在靶場共用一臺測量傳感器,而閉環校正要由各路系統自身的控制波前傳感器來完成,因此需要將傳感器Ⅱ測量到的數據傳遞給傳感器Ⅰ。傳感器之間的數據傳遞基于如下原理:即無論用哪個傳感器來進行閉環校正,在變形鏡上對應的鏡面面形是完全相同的。基于這一原理,采用閉環傳感器和測量傳感器對變形鏡的響應來完成數據轉換。首先,在系統中獲取兩個波前傳感器對變形鏡的響應矩陣 H1 和 H2,對于同一個波前,變形鏡上所需的驅動電壓系列狏是完全一致的,從而有S1=H1V和S2=H2V,其中,S1 和SH2 分別為同

樣的電壓系列狏控制下,由哈特曼傳感器Ⅰ和哈特曼傳感器Ⅱ測量到的變形鏡面形數據。于是得到了由哈特曼傳感器Ⅱ測量到的S2 在傳感器上的映射S1∶S2=H1H+2S2。上述算法的實現既可以通過軟件算法來完成,又可以在系統上利用變形鏡的響應來直接完成。 

       通過上述過程,將在靶點測量到的全系統像差(圖 5)交由哈特曼傳感器 Ⅰ 來完成閉環校正。在 “神光Ⅲ”原型裝置中,根據工程裝置的特點,系統整體光路是相對穩定的,只要靶場光學系統不發生重大調整或者變化,其像差將保持相對穩定,從而不需要在采用傳感器I閉環的過程中實時測量系統像差,而一旦系統出現大的變化(比如更換光學元件、系統大規模調整等),或者校正結果表明效果明顯下降,則可以重新對系統靜態像差進行測量,并更新這些數據即可。由于系統對主放大系統之前的像差是閉環校正的,即使這一部分光路發生了變化,其變化將被實時控制,不影響系統的校正結果。

2.4 全系統靜態波前校正實驗

      結果基于2.3節的校正原理,對原型裝置上所有8束激光的靜態波前進行了校正。圖6為對北2路校正的結果。計算結果表明,通過校正,70%能量范圍縮小了一半,焦斑形態顯著改善。

      自適應光學校正前后,“神光Ⅲ”原型裝置上8路遠場光斑分布如圖7所示。計算結果表明,通過校正,所有各路像差均得到有效的校正,提高了穿孔透過率。

      我們還利用8路工程化自適應光學系統進行ICF裝置的激光物理打靶實驗。在本次校正實驗中,在“神光Ⅲ”原型裝置上首次驗證了校正對打平面靶時 X 射線分布的改善效果。打靶實驗結果表明,采用自適應光學技術可以使靶上 X 射線的分布得到很大改善,從而提高整個ICF系統的效能。

 

3 大口徑可拆卸變形鏡研究進展

      隨著我國ICF領域技術的不斷發展,對自適應光學系統的要求也不斷提高,其中最為關鍵的技術就是大口徑變形鏡的高可靠性批量化生產。為適應未來ICF系統發展的需要,我們對可批量化生產的大口徑可拆卸變形鏡進行了技術攻關,并取得了顯著進展。

      在美國國家點火裝置 NIF中,采用了勞倫斯-利弗莫爾實驗室專門研制的400mm×400mm 大口徑變形反射鏡進行波前控制。在解決這種大口徑變形反射鏡的研制效率和可維護性問題等方面,美國利弗莫爾實驗室已展示了他們在這方面的一些研究成果。與ICF 原型裝置所采用的變形反射鏡相比,我國未來ICF領域發展所需的大口徑變形反射鏡存在以下特點和難點:

1)隨著變形反射鏡口徑的增加,變形反射鏡結構設計、研制工藝會變得相當復雜,比如因極間距、變形量的增加,給變形反射鏡影響函數設計帶來困難;

2)隨著變形反射鏡口徑的增加,變形反射鏡薄鏡面(展弦比達40)的光學加工難度大大增加,同時也對變形反射鏡目前所采用的整體鍍膜方式提出了挑戰;

3)點火工程所使用的大口徑變形反射鏡具有批量化特征,數量通常達百塊以上,要求變形反射鏡這一特殊工藝的器件必須能夠進行批量化生產,且在使用中能夠方便維護。

      基于上述特點和難點,提出了一種可拆卸大口徑變形反射鏡的技術實現方案,并且研制了一塊17單元可拆卸大口徑變形反射鏡樣鏡。

3.1 可拆卸大口徑變形鏡結構設計

       圖8為常用的分立式壓電變形鏡連接示意圖,由鏡面1,壓電驅動器2,基座3三個基本部分組成,壓電驅動器按一定布局排布在剛性基座上,連續薄鏡面與驅動器陣列粘接,當驅動器沿軸向伸縮時,帶動薄鏡面產生形變。這種結構的變形鏡性能穩定、結構緊湊,但工藝技術復雜、鍍膜難度大、制造周期長、可維護性差,較適用于口徑相對較小、單元數密度大的變形反射鏡。圖9為我們提出的一種可拆卸大口徑變形反射鏡連接示意圖,包含有鏡面1,彈性片2,底座 3,壓電驅動器 4 和精密螺紋調節件 5。該結構特點有:彈性片與鏡面進行無應力粘結,彈性片與壓電驅動器之間不連接但有預緊力,壓電驅動器就可以更換,變形反射鏡維護容易,預緊力能實現鏡面的負變形,同時,受彈性片預緊力的壓電驅動器,能實現±20μm 以上變形,從而提高了大口徑變形反射鏡的變形量;精密螺紋調節件與驅動器粘結為一體,通過螺紋調節,可以實現大口徑變形反射鏡原始面形的波長級精度調節。該結構非常適用于激光核聚變裝置中的大口徑變形反射鏡。

 

        在變形鏡樣鏡結構設計中,主要解決鏡面剛度、彈性片剛度、變形鏡影響函數的參數設計問題,這些參數都通過有限元分析得到。

        圖10為彈性片剛度分析,圖11為鏡面剛度分析,要求彈性片剛度必須大于鏡面剛度,圖12是對變形反射鏡整體結構進行分析所得到的影響函數曲線。

5 結 論

       介紹了為“神光Ⅲ”原型裝置研制的8套工程化自適應光學系統的性能以及在原型裝置上的實驗結果。在原型裝置上擴展了自適應光學系統的校正范圍,開展了到靶點全系統靜態像差校正實驗,基于雙波前傳感器波前校正技術,實現了到靶點的像差校正,改善了靶點焦斑能量分布,在“神光Ⅲ”原型裝置上驗證了校正對打平面靶時 X 射線分布的改善效果。打靶實驗結果表明,采用自適應光學技術可以使靶上 X射線的分布得到很大改善,從而提高整個ICF系統的效能。

       為滿足未來我國ICF 領域不斷發展對自適應光學系統的技術需求,研制了一塊17單元大口徑可拆卸 變 形 鏡 樣 鏡。 該 樣 鏡 口 徑 為 284 mm × 284mm,行程大于±6μm,諧振頻率大于500 Hz,能夠有效校正離焦和像散等低階像差,實現了ICF領域用大口徑可拆卸變形鏡的關鍵技術突破。

      此外還介紹了一種基于靶室遠場的 SPGD 控制方法,并取得了良好的室內模擬校正實驗結果。

 


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