为降低高功率激光系统中连续相位板(CPP)后续元件的强激光损伤风险，综合考虑入射光强调制、干涉及衍射作用等多种影响因素，建立了CPP近场计算分析模型，模拟和分析了这些因素对CPP后的近场均匀性的影响。理论分析结果表明：CPP后的光束近场均匀性主要受入射光调制、CPP表面剩余反射率和衍射传输距离的影响；当入射光束质量较差时,CPP后的近场均匀性主要由入射光束质量决定，CPP剩余反射率和衍射传输距离对近场均匀性影响相对较小；但当光束质量比较理想时，干涉和衍射作用会破坏CPP的近场均匀性，衍射传输距离影响尤为突出。
衍射与光栅 连续相位板 近场 光束质量 惯性约束聚变 diffraction and gratings continuous phase plates near filed beam quality inertial confinement fusion
成都精密光学工程研究中心, 四川 成都 610041
连续相位板(CPP)是大型激光装置中用于控制光束形状、能量和波前分布的一种重要衍射光学元件。为改善聚焦光束的质量，建立了基于现有工艺的大口径CPP理论设计模型，优化了传统衍射元件设计算法。采用该算法设计了用于背光照明的Ф330mm CPP，开展了数控化学抛光制作CPP试制，并在大型激光装置上开展了验证实验。结果表明，基于工艺改进算法设计的CPP具有更好的加工特性和焦斑性能，基本实现了整形和匀滑性能，能够较好满足现有工艺约束条件和物理需求。
光学设计与制造 连续相位板 改进G-S算法 光束匀滑 衍射光学 激光与光电子学进展
2011, 48(5): 052201
将化学抛光工艺用于大口径连续位相板(CPP)的制造中，介绍了作为加工基础的Marangoni 效应和化学抛光去除函数。在此基础上，结合CPP 元件的面形特征，设计了小口径化学磨头。通过工艺实验讨论了刻蚀溶液中不同浓度NH4F 添加量对刻蚀速率的影响，实验结果表明，NH4F 添加量为10%~13%时可以获得最高的刻蚀速率。通过实验测算了温度波动在±1 ℃时，刻蚀速率的相对误差为7.8%。根据相关工艺参数设计了工艺流程，并针对不同面形特征的CPP 元件进行了实际的加工，得到了与设计结果相符合的制造结果。
光学制造 连续位相板 化学抛光 刻蚀速率 optical fabrication continuous phase plate chemical polishing etching rate
为了满足大型激光装置中驱动源聚焦光斑的均匀光强分布、高能量利用率和小旁瓣等特殊要求,提出了采用追迹法和改进G-S算法相结合的连续相位板设计方法。进一步采用衍射积分方法模拟了该连续相位板的光学性能,计算得到其产生的焦斑具有类似24阶超高斯分布,其顶部光强均方差σRMS＝0.35%、顶部调制度γ＝1.33%、能量利用率η＝99.79%。结果表明,该方法不仅具有追迹法计算简单、运算量小的优点,而且克服了G-S算法容易陷入局部最优的缺点。采用该方法设计的连续分布,解决了加工难题,从而也提高了相位板的匀滑性能。
光学设计与制造 连续相位板 追迹法 G-S算法 光束匀滑 optical design and fabrication continuous phase plates geometrical transformation G-S algorithm beam smoothing
成都精密光学工程研究中心,四川 成都 610041
为改善惯性约束聚变(ICF)系统中聚焦光束质量,降低元件的加工难度,建立了基于工艺的连续相位板(CPP)理论设计模型,并从初相选取、相位展开、滤波、焦斑频谱控制等多方面改进了传统的G -S算法,比较分析了传统设计方法和基于工艺设计方法设计的CPP的加工特性和焦斑性能。基于工艺设计的CPP面型光滑,其产生的焦斑顶部均方根(RMS)和能量利用率η分别从传统G -S的62.8%和98.0%改进到16.9%和98.6%,而且有效抑制了10-100 μm的频谱成分。结果表明,基于工艺的CPP设计方法能够较好满足现有工艺约束条件和物理需求。
光学设计与制造 连续相位板 改进G-S算法 光束匀滑 惯性约束聚变
1 成都精密光学工程研究中心, 四川 成都 610041
2 中国工程物理研究院激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
3 四川大学物理系, 四川 成都 610064
针对惯性约束聚变(ICF)等离子体诊断系统中对长焦深光学元件的要求,采用非线性相位拟合法设计了一块孔径150 mm,焦距450 mm,焦深5 mm的长焦深球面透镜。为了验证该方法的可行性和正确性,制作了一块与设计等F数(通光孔径为80 mm,焦距为240 mm)的长焦深透镜,并且测量了平行光经过该透镜后的轴上和横向光强分布。理论和实验结果都表明,采用非线性相位拟合法设计的长焦深透镜可以获得长焦深、小焦斑、小旁瓣的聚焦光束,可以满足诊断系统对长焦深元件的要求。
光学设计与制造 长焦深 非线性相位拟合 球面透镜 激光等离子体诊断 惯性约束聚变
1 四川大学电子信息学院,成都,610064
2 成都精密光学工程研究中心,成都,610041
分析了温度变化对谐衍射透镜的焦距、谐振波长、衍射效率等性能的影响,建立了相应的数学表达式,并对其进行了数值模拟.提出了漂移函数的概念,以表征焦距和谐振波长随温度的变化程度.另外,还给出了各谐振级次的衍射效率随温度变化的相关规律.最后比较了在相位匹配数不同、但设计波长相同时,温度变化对衍射效率的影响,发现相位匹配数越大,衍射效率对温度变化越敏感.
谐衍射透镜 温度变化 漂移函数 衍射效率 Harmonic diffractive lenses Temperature fluctuation Shifting function Diffraction efficiency
成都精密光学工程研究中心,四川,成都,610041
减小光栅表面的反射率以得到更高的衍射效率是目前光栅设计与制造中需要解决的重要问题之一.提出利用偏振光沿布儒斯特角入射时具有的特性来实现降低光栅表面反射率的方案,介绍了这种方案的物理模型,并利用严格耦合波分析法进行了模拟计算.计算结果显示,对入射光为TM偏振,波长0.35 μm,当光栅周期较长为2.80 μm时,以布儒斯特角入射的光波,它的表面反射被大大抑制;当光栅周期较短为0.21 μm时也有类似的结论,并且透射光的一级衍射效率极大值出现在刻槽深度为3.50 μm处附近,衍射效率大于95%.
布儒斯特角 透射光栅 耦合波法 反射率 衍射效率 Brewster angle Tansmission grating Coupling wave method Reflectance Diffraction efficiency
成都精密光学工程研究中心,四川,成都,610041
利用基于Marangoni界面效应对化学抛光去除函数的理论及实验进行研究,提出采用湿法化学抛光(刻蚀)方法为大口径高精度光学元件的加工提供新的解决途径.介绍了Marangoni界面效应及其验证实验,运用WYKO轮廓仪对熔石英基片局域刻蚀前后的粗糙度进行检测,结果表明,粗糙度基本无变化,刻蚀前后粗糙度分别为0.72 nm和0.71 nm.基于Preston假设,建立了数控化学抛光理论模型,运用WYKO干涉仪观察实验现象可知,化学抛光刻蚀曲线基本上成平底陡峭的去除函数曲线,小磨头抛光是倒置的仿高斯函数曲线.
Marangoni界面效应 数控化学抛光 去除函数 化学刻蚀 Marangoni interface effect Numerically controlled chemical polishing The Removal function Chemical polishing
成都精密光学工程研究中心, 四川 成都 610041
从麦克斯韦方程出发,利用耦合波理论和增强传输矩阵的方法,计算了ICF系统使用的色分离光栅(CSG)的衍射特性.得到了比标量理论设计计算更为精确的结果.计算结果表明,色分离光栅的周期越小,三倍频光的零级衍射效率越低.
耦合波 传输矩阵 色分离光栅
