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用于ICF激光等离子体诊断的长焦深光学元件研究

温圣林  
【摘要】:在惯性约束核聚变(ICF)系统的打靶实验中,通常采用Thomson散射的方法对靶场产生的激光等离子体电子与离子温度、密度等参数进行诊断,以监测激光与靶的耦合效率。为提高诊断的空间分辨率,确定不同等离子区域的等离子体参数,要求诊断光束聚焦后具有长焦深、小焦斑、小旁瓣等特点。由于现有的普通透镜、折衍混合元件、衍射元件等聚焦元件都无法满足Thomson散射诊断的要求。因此,寻求同时满足长焦深和小焦斑要求的聚焦技术是激光等离子体测量中一个急待解决的难题。 本文以我国ICF驱动装置的研制为背景,以发展长焦深技术、满足ICF的Thomson散射诊断系统对长焦深元件的迫切需求为目标,根据Thomson散射诊断系统对聚焦光束的具体要求,我们提出将对数型轴锥镜(Axicon)与边缘匀滑、中心切趾等光信息处理技术相结合用于ICF的激光等离子体诊断实验,从而不仅改善了Axicon的长焦深性能,还拓展了轴锥镜的应用领域。理论分析和模拟实验结果都表明,这种方法能够很好地满足Thomson诊断系统的要求。 针对对数型Axicon的非球面结构加工难题,本文采用非线性相位拟合法设计了应用于ICF的等离子体Thomson诊断系统的长焦深简单透镜。该长焦深透镜仅用两个或者多个球面结构而同样实现了对数型Axicon的长焦深性能。这种方法的优点是易加工、制作成本低,在普通的光学装置上就很容易实现。非线性相位拟合光学元件设计方法为光学元件的设计提供了新的思路。 文章最后针对对数型Axicon和长焦深透镜在ICF中的实际应用,采用标量衍射理论模拟实验了低、中高频波前畸变对元件聚焦性能的影响,进一步给出了对诊断入射光束的波前畸变宽容度。根据光学元件的实际加工工艺,讨论了长焦深透镜加工制作误差对聚焦光束特性的影响,得出了球面曲率半径、表面粗糙度、离轴角度、中心厚度、材料折射率和通光口径等加工误差的宽容度。这对确定Axicon和长焦深透镜的制作工艺具有指导意义。最后我们实际加工了长焦深透镜,并且对它进行了初步实验,实验结果与理论基本吻合。


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