ICF靶场激光指向精密控制技术研究

【摘要】：惯性约束聚变(ICF)大型激光装置需要将上百束高能脉冲激光精确引导并聚焦到靶点。这种激光装置通常采用与主光路激光(以下称主激光)严格同轴的连续模拟激光(以下称模拟光)进行光路准直、引导及聚焦调整,并利用光路中的电动光学器件以及远场探测器实现对激光指向的闭环控制。靶场激光指向精度是实现精确打靶的重要指标之一,目前主激光与模拟光之间的同轴度、激光光束指向的调整量是两个主要误差来源。针对这两种误差来源,本文首次提出了一种在靶点处标定主激光与模拟光同轴度的方法和一种利用变形反射镜控制激光光束指向的方法,并进行了相应的理论分析与实验验证。本文所研究成果解决了从激光大厅中发出的主激光与模拟光之间的同轴度不高以及通过电动反射镜架控制的靶场激光光束指向的调整量较大的两个问题,提高了靶场激光指向精度。 本文首先综述了国内外惯性约束聚变(ICF)大型激光装置的研究发展现状、大型激光装置靶场指向精密控制系统的概况和激光指向控制中相关光学元件的研究进展。 结合光线追迹理论,通过数学仿真,建立了ICF靶场光学系统的简化光路模型,模拟实际光线在靶场中传播,找出光束指向的变化规律,实现对靶场光学系统中光束的指向控制计算,从而为指向控制提供理论支持。 利用ICF靶场光学系统的简化光路模型的计算结果,对靶点处标定主激光与模拟光同轴度的方法进行分析。为了消除标定过程中投射到CCD像面上的杂散光影响标定精度,结合靶场光学系统实际设计,给出了三种不同可替换滤光片放置位置的两束激光同轴的远场标定方法,并比较了不同方法的优缺点。 基于变形反射镜实现波前重构的两种常用方法,分别针对有波前畸变光束和无波前畸变光束的指向控制需求,对利用变形反射镜控制激光指向的方法进行了理论推导,并讨论了可实现指向精密控制的变形反射镜优化设计方案。 最后,本文设计了一套实验装置,在实验室范围内进行了两束激光同轴标定方法和激光光束指向控制方法的验证性实验,并对实验结果予以分析,很好的证明了这两种方法的可行性。