强激光与粒子束
2023, 35(3): 031004
Author Affiliations
Abstract
Ordnance NCO Academy, Army Engineering University, Wuhan 430075, China
To obtain short pulse width and high peak power laser, a 7 kHz sub-nanosecond microchip laser amplified by a grazing incidence double pass slab amplifier is experimentally demonstrated in this Letter. We use a compact side-pumped bounce amplifier with grazing incidence beam for achieving high gains and power extraction. Laser output power of 7.37 W at 7 kHz, 1.2 MW pulse peak power with 877 ps duration and 1.05 mJ energy, 25 pm spectral width, and near diffraction limited mode beam quality are achieved, and the optical-to-optical efficiency is 18%. The laser is packaged in a volume of 356 mm × 226 mm × 84 mm and may be used for applications such as laser altimeters and ladar systems.
sub-nanosecond laser amplifier grazing incidence bounce laser Chinese Optics Letters
2021, 19(2): 021403
1 西安交通大学 能源与动力工程学院, 西安 710049
2 中国科学院高能物理研究所 粒子天体重点实验室, 北京 100049
为了给聚焦镜热控及支撑结构优化设计提供依据, 对爱因斯坦探针项目中的后随X射线望远镜的镜片组进行了三维全尺寸建模与有限元分析.研究了轴向、径向两种温度梯度, 以及有、无支 撑结构对镜片组形变的影响, 并对面形误差与温差范围的关系进行了探究.结果表明: 对于无支撑结构, 轴向温度梯度下面形误差与半径关系接近线性关系, 径向温度梯度下则接近分段二次关系; 支撑结构发生热变形时, 会使镜片组产生与之对应的面形误差, 令同相圆度误差转变为异相圆度误差, 并使镜片组整体面型误差峰谷值增加32.25%~123.01%, 均方根值增加4.13%~5.14%; 对于有支 撑结构, 热致面形误差与温差成正比, 温差每增加1℃, 轴向温度梯度下, 面形误差峰谷值与均方根值分别增加7.76 μm、1.12 μm, 而对于径向温度梯度则分别增加9.67 μm、1.60 μm.聚焦镜片 热致面形误差在一定情况下与镜片尺寸、温差成线性关系, 并受到支撑结构变形的显著影响.
应用光学 爱因斯坦探针 有限元分析 掠入射X射线望远镜 温度分布 热变形 Applied optics Einstein probe Finite element analysis Grazing incidence X-ray telescope Temperature distribution Thermal deformation
鲁东大学信息与电气工程学院山东省高校信息物理融合与智能控制重点实验室, 山东 烟台 204625
将掠入射改进的Kirkpatrick-Baez (KBA)型X射线显微镜用于研究激光等离子体惯性约束聚变,它由两对正交的反射镜构成。研究了针对掠入射反射系统的光线追迹程序,利用该程序设计了KBA反射镜,得出对于这种双反射镜结构,孔径光阑放在第二块反射镜上结构更紧凑的结论。研究了KBA显微镜的场曲以及俯仰角对成像质量的影响,找出了最优的离焦距离,制定了系统的俯仰角误差。
激光光学 掠入射 Kirkpatrick-Baez X射线显微镜 光线追迹
1 中国科学院西安光学精密机械研究所, 西安 710119
3 武警工程大学 装备管理与保障学院, 西安 710086
为了实现对激光惯性约束聚变中物理过程的诊断，建立了X射线显微成像系统.对该系统所采用的超环面镜成像特性、系统的光学设计、像差分析、公差分析和装调方法进行了研究.首先，以等离子体诊断的要求为依据确定了部分光学系统参数，设计了由U型排布的两个超环面镜和一个用于谱选择的平面镜构成的显微成像系统.根据消像散聚焦初步确定三个反射镜的结构参数，并利用光学设计软件进行了优化.接着，分析了X射线显微镜的球差、彗差、视场倾斜和像散.通过分析系统参数变化对成像质量的影响，根据系统精度要求确定了合理的公差.最后，针对离线超环面镜离轴掠入射装调问题，设计了一种辅助光学系统，并为在线高精度系统装调设计了一种双向双目交汇瞄准系统.实验结果表明：显微成像系统在物方视场500 μm处的分辨率优于5 μm，基本满足激光等离子体X射线成像的大视场和高分辨等要求.
光学系统设计 显微成像 掠入射 超环面 X射线 Optical design Microscope Grazing incidence Torus X rays 光子学报
2019, 48(12): 1211002
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
为了评价软X射线掠入射望远镜的成像质量, 提出了一种利用ZEMAX和MATLAB相结合的像质评价方法。根据这种方法编写的像质评价程序不仅考虑了孔径衍射、几何像差和装调误差等因素对成像质量的影响, 而且加入了望远镜面形误差和X射线散射效应的影响。利用勒让德-傅里叶多项式和用户自定义表面, 在ZEMAX中建立带有面形误差的筒状反射镜表面模型, 实现对真实面形的掠入射反射镜的仿真; 根据Harvey-Shack散射理论建立了ZEMAX中的BSDF散射模型, 实现对X射线散射的仿真。搭建X射线有限远成像实验装置, 对像质评价程序进行了验证。实验结果和仿真结果对比表明: 实验光斑和仿真光斑的光强分布基本一致, 以实验结果为基准, 仿真光斑的半高全宽横向和纵向的相对误差分别为14.7%和11.3%。说明像质评价程序的仿真结果基本符合真实情况, 对掠入射光学系统的设计和加工具有一定的指导意义。
X射线光学 掠入射望远镜 像质评价 表面散射 面形误差 X-ray optics grazing incidence telescope image quality surface scattering figure errors 光学 精密工程
2019, 27(10): 2136
1 中国科学院上海应用物理研究所, 上海 201204
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院上海高等研究院, 上海 201210
在国内发展了硬X射线微束掠入射实验方法, 并将此具有微米级高空间分辨率的方法应用于纳米厚度薄膜的微区分析。 该实验方法对分析样品表面或薄膜在微小区域的不均匀组分、 结构、 厚度、 粗糙度和表面元素化学价态等信息具有重要意义。 基于X射线全反射原理, 以微聚焦实验站的高通量、 能量可调的单色微束X射线为基础, 通过集成运动控制、 光强探测、 衍射和荧光探测, 设计了掠入射实验方法的控制和数据采集系统。 此系统采用分布式控制结构, 并基于Experimental Physics and Industrial Control System （EPICS）环境设计SPEC控制软件。 通过建立SPEC和EPICS的访问通道, 实现SPEC软件对EPICS平台上设备的控制和数据获取。 在所设计的控制和数据采集系统中, 运动控制系统控制多维样品台电机的运动, 实现定位样品位置和调节掠入射角; 光强探测系统则监测样品出射光强度, 通过样品台运动控制和光强探测的联控, 实现样品台的扫描定位控制; 通过衍射和荧光探测系统获取不同入射深度下样品的衍射峰强度和荧光计数。 此外, 为准确控制掠入射角角度, 必须确定样品平面与X射线平行的零角度位置, 对此给出一种自动定位零角度的方法, 编写了该方法的控制算法, 设计了相应的控制软件。 零角度自动化定位的扫描结果表明, 实验系统微区分析的空间分辨率达到28 μm, 零角度定位精度小于±001°。 利用该系统在上海光源微聚焦实验站首次实现了具有自动化准确控制零角度的微束掠入射X射线衍射和荧光同步表征的实验方法, 实验中被测样品为10 nm Au/Cr/Si薄膜材料, Si基底最上层为10 nm厚的Au薄膜, 其间为一层很薄的Cr粘附层。 在不同掠入射角下测量样品的衍射信号, 获取不同入射深度下样品的衍射峰强度, 并实现在同一掠入射角下, 同步采集样品的荧光计数信号, 从而确定了样品表层的相结构信息以及荧光信号强度与入射角关系, 实现了对纳米厚度薄膜在微小区域的相结构和组分分析。 此外, 通过该技术能够选取荧光计数最大值对应的入射角度, 有助于提高后续发展的低浓度样品掠入射X射线吸收近边结构实验方法的信噪比。
微束掠入射 衍射 荧光 高空间分辨 Micro-beam grazing incidence Diffraction Fluorescence High spatial resolution 光谱学与光谱分析
2019, 39(9): 2794
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春130033
2 中国科学院大学, 北京, 100049
研究X射线散射法在软X射线掠入射望远镜反射镜的表面粗糙度测量中的应用。首先, 在光滑表面近似和细光束条件下, 根据Harvey-Shack表面散射理论得出反射镜的面形仅影响总反射光分布中的镜向部分, 对散射部分的影响可以忽略不计; 然后设计了X射线散射法测量Wolter-I型软X射线掠入射望远镜的表面粗糙度的实验方案, 并且对引起系统误差的主要因素进行了分析, 确定了进行仿真实验时的参数; 最后用Zemax对实验方案进行了仿真。在空间频率高于28/mm时, 表面粗糙度的仿真测量结果与真值吻合得非常好。本文研究结果显示: 在光滑表面近似和细光束条件下, 反射镜的面形仅影响表面粗糙度的低频部分的测量准确性, 对高频部分测量准确性的影响可以忽略不计, 利用X射线散射法可以准确测量软X射线掠入射望远镜的表面粗糙度。
表面散射 粗糙度 功率谱密度 掠入射望远镜 surface scatter roughness power spectral density grazing incidence telescope
1 同济大学 先进微结构材料教育部重点实验室, 上海 200092
2 同济大学 物理科学与工程学院 精密光学工程技术研究所, 上海 200092
3 上海卫星工程研究所, 上海 200240
4 上海利正卫星应用技术有限公司, 上海 200240
掠入射X射线聚焦望远镜的支撑框架结构设计是望远镜研制的关键技术之一。国内规划中的XTP卫星低能聚焦望远镜拟采用基于超薄玻璃的X射线聚焦望远镜方案, 针对望远镜样机严苛的光学和力学性能要求, 经过结构选型优化, 设计了一种一体化的六边形桶式望远镜支撑结构。利用有限元软件对支撑结构进行了模态分析和频率响应分析, 并与力学实验进行了对比验证。结果表明, 该支撑结构具有较大的结构刚度, 望远镜结构在发射环境下不会发生破坏性改变, 满足力学性能要求。该支撑框架结构简洁、装配精度高, 具有良好的工艺性, 为望远镜的研制提供了参考。
掠入射X射线望远镜 结构设计 力学分析 振动试验 grazing incidence X-ray telescope structure design mechanical analysis vibration test 红外与激光工程
2018, 47(4): 0418002
