用于ICF束匀滑与远场荧光显微镜的衍射光学元件的设计和实验

【摘要】：本论文第一部分主要围绕“用于ICF(惯性约束核聚变：Inertial Confinement Fusion)系统激光束匀滑的大尺寸衍射光学元件研究”这一主题展开的工程应用型研究,针对“神光”系统需求,对束匀滑器件进行设计优化,并解决实验中出现的一系列问题,通过理论模拟,优化各束匀滑器件的匹配,使光束匀滑效果满足工程需要。主要内容分为以下三个方面。 一、衍射光学元件设计参数对束匀滑效率的影响 实验室前期设计加工的口径320mmm的DPP (Distributed Phase Plate),拥有良好的匀滑性能,但是在实验中在相互垂直的两个方向造成了高级次衍射。本论文就此问题进行了理论推导,获得了靶面光场的真实分布,从中发现由于DPP的采样和台阶相位恢复方式,是以数-十微米尺寸的方形柱面作为加工子单元的,这就使得焦面输出光场产生了高级次衍射,形成了具有sinc2包络调制的周期分布光强,造成了焦斑能量利用率大幅低于设计衍射效率。针对此问题,本文提出了通过在设计中降低焦斑主瓣占设计输出窗口比例,可以在一定程度上解决此问题,例如选取合适的采样点数,使得设计时焦斑主瓣占输出窗口的比例小于0.2,则由此产生的衍射效率损失可以被控制在2%以内,基本可以将高级次衍射斑强度压制在旁瓣强度级别。同时针对性地对工艺提出了“弱化台阶”的需求,并通过采用湿法刻蚀实现了这一需求。经过设计优化和工艺改进后的大口径DPP经过实验测试,其能量利用率由起初的低于60%提升到了84%,而最新一块的测试显示,能量利用率已经接近90%,基本满足工程需求。 二、利用光谱色散和分布式位相板改善靶面辐照均匀性 在惯性约束核聚变以及激光等离子实验中,对焦面的辐照均匀度有着相当高的苛刻要求,这就需要以DPP为代表的空间域匀滑技术和以SSD(谱色散匀滑：Smoothing by Spectral Dispersion)为代表的时间域匀滑技术相互配合,以达到工程需要。本论文通过对分布式相位板和光谱色散匀滑技术联用的模拟计算,分析了联用实验中焦斑的变化,论证了非设计采样点光强的不可控性对焦斑匀滑质量的损害。模拟结果证实了光谱色散匀滑技术对色散方向上的焦斑均匀性的改善,焦斑不均匀性由58.30%降为19.50%。通过分析焦斑不均匀性与光谱色散匀滑积分时间的关系,发现5-6个光谱色散匀滑调制周期时得到最优匀滑效果。对焦斑频谱的分析显示,光谱色散匀滑技术可以有效抑制由非设计采样点光强引入的高频成分,26.3μm内的光强调制被平滑,同时很好地保持了由分布式相位板决定的焦斑低频包络,在实验与模拟中均得到很好验证。为进一步的分布式相位板与光谱色散匀滑技术联用设计提供了理论依据。 三、连续型相位片设计 ICF间接驱动方案中对入腔激光的能量利用率要求极高,使得CPP(连续型相位片：Continuous Phase Plate)方案成了很具竞争力的束匀滑方案。本文完整阐述了CPP的设计方法,并在设计中对相位展开技术和焦斑空间频谱控制做出优化,随后针对实验系统参数设计加工了一块口径240mm的CPP,在实验测试中显示了良好的束匀滑效果。 本论文的第二部分主要围绕远场超分辨率荧光显微技术展开。研究了用于光敏定位显微镜(PALM:Photoactivated Localization Microscopy)等一系列单分子显微镜的单分子定位算法,并提出了一种有潜在应用价值的高z向分辨率的荧光显微技术。 一、单分子定位算法研究 本文简要介绍了PALM实验的原理和图像重构方法,并对其中的关键部分——单分子定位算法做了优化选择,分别采用Hogbom'CLEAN'方法进行粒子搜寻,而采用MLE方法进行粒子定位,将图像重构时间由十几小时减少到十几分钟。在双色PALM的实验中,重构得到了分辨率小于20mnm的超分辨率图像,并对粒子分布做相关统计,为一种新的分子生物学机理解释提供了数据依据。 二、利用带涡旋相位的轴对称偏振光和DOE实现高z向分辨率 针对3D单分子显微技术中z向分辨率偏低的问题,提出了一种提高z向分辨率的方法。通过将带涡旋相位的轴对称偏振光和DOE相结合,获得足够薄的z向荧光分子激活层以及合适的荧光分子激活态概率。通过对Cy5的数值模拟,实现了在纵向选择激活荧光分子,可以获得25.7nm的FWHM,从而为纵向超分辨率定位提供了一种可行的方法。