高功率準(zhǔn)分子激光主振蕩靶面光斑重心穩(wěn)定性分析

主振動輸出系統(tǒng)（mopa）由主振動源和一系列激勵槍組成，能夠輸出高質(zhì)量、高能量的激光輸出，為與剛性約束相關(guān)的物理實驗提供足夠的目標(biāo)面功率密度。該系統(tǒng)非常大，光路復(fù)雜。為了保證光束方向的精度對系統(tǒng)工程的實施有嚴(yán)格的要求。因此，高效率激光系統(tǒng)的研究人員非常重視光束定位問題。對于高功率準(zhǔn)分子激光裝置,通常采用光學(xué)角多路脈沖壓縮技術(shù)和誘導(dǎo)空間非相干(EFISI)光束平滑技術(shù),這種平滑化角多路光束傳光學(xué)元件數(shù)量多,光程長,靶物理實驗對光束定位具有很高的要求,美國NIF裝置科研人員開展了光學(xué)元件穩(wěn)定性影響因素、誤差分配及有限元模擬及分析的研究;中國工程物理研究院朱啟華等針對神光Ⅲ原型裝置利用光線追跡和代數(shù)運算開發(fā)了光學(xué)與安定性的仿真軟件,用于分析各光學(xué)元件穩(wěn)定性對靶點的影響。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo),靶面光束定位誤差為30~50μm。為此,采用改進層次分析方法來進行指標(biāo)權(quán)重系數(shù)確定,得到了影響系統(tǒng)穩(wěn)定性各光學(xué)元件的光束定位指標(biāo)要求。但誤差分配結(jié)果能否滿足靶面光束定位誤差指標(biāo)要求,各光學(xué)元件誤差分配量互相之間是否合理,現(xiàn)實中各光學(xué)元件誤差分配量能否實現(xiàn),并且根據(jù)測量的光學(xué)元件穩(wěn)定性數(shù)據(jù)得知能否滿足靶面指標(biāo)要求,為此利用光線追跡和傳輸矩陣,根據(jù)光學(xué)元件的穩(wěn)定性指標(biāo)按照一定的分布開展了系統(tǒng)靶面光斑穩(wěn)定性仿真及分析。1反射式透鏡的對比實驗結(jié)果根據(jù)平滑化準(zhǔn)分子激光MOPA系統(tǒng)的光路特點,可以將像傳遞系統(tǒng)光路嚴(yán)格等效為依次排列的多個物像共軛結(jié)構(gòu)。考慮到多束激光光路布局上的一致性,選取其中一路進行靶面光束定位誤差分配研究。該系統(tǒng)采用了3種像傳遞結(jié)構(gòu),即4f成像結(jié)構(gòu)1(case1,圖1(a))、無限遠顯微成像結(jié)構(gòu)2(case2,圖1(b))和單透鏡成像結(jié)構(gòu)3(case3,圖1(c))。其中,f為結(jié)構(gòu)中單透鏡成像結(jié)構(gòu)的透鏡焦距,f1,f2分別雙透鏡成像結(jié)構(gòu)的第1個和第2個透鏡的焦距,如圖1所示。透鏡的平移和反射鏡的轉(zhuǎn)動是影響光束打靶精度的主要因素,利用傳輸矩陣和光線追跡可以得到光學(xué)元件偏移與相應(yīng)像傳遞結(jié)構(gòu)像面光束位置變化關(guān)系如表1所示。表中,l是反射鏡距離像傳遞結(jié)構(gòu)第1個透鏡的距離,Δx為透鏡偏移的距離,Δθ為反射鏡偏轉(zhuǎn)的角度。根據(jù)表1可以得到透鏡變化單位μm及反射鏡變化單位μrad時靶面光斑重心偏移量。利用線性加權(quán)及改進層次分析方法,對全系統(tǒng)的光學(xué)元件進行誤差分配,系統(tǒng)光路及光學(xué)元件如圖2所示。圖中,M表示反射鏡,L表示透鏡,CM表示腔鏡,photon表示放大器,光路是嚴(yán)格的物像共軛像傳遞系統(tǒng)。典型光學(xué)元件分配結(jié)果如表2所示。表2中第2列數(shù)據(jù)即為各個元件相對于靶面偏移量光學(xué)靈敏度,第3列是各個元件的誤差分配量?？梢钥闯?M21,M22,M25,M26反射鏡以及CM1,CM2反射式透鏡對靶面光斑重心穩(wěn)定性影響較大。原因在于,為了減小光束入射角,增大激光的填充面積,提高激光對增益介質(zhì)的提取效率,增大出光能量,在預(yù)放大器4處CM1的焦距為10m,主放大器處CM2的焦距為17.5m,較大的透鏡焦距導(dǎo)致了較長的光程,增加了控制光束穩(wěn)定性的難度。雖然像傳遞結(jié)構(gòu)能夠一定程度上減小靶面光束偏移量,但對于單個像傳遞結(jié)構(gòu)而言,其光程越大對靶面光束的穩(wěn)定性影響越大。比如反射鏡M21偏移1μrad靶面光斑重心位置變化5.4μm,反射鏡M25偏移1μrad光斑重心位置變化14.0μm,對靶面穩(wěn)定性總指標(biāo)要求影響很大,需要進行合理的再分配。2光斑重心偏移量的檢測以圖形化編程語言LABVIEW軟件為平臺,根據(jù)系統(tǒng)誤差分配結(jié)果或者調(diào)用光學(xué)元件實際漂移規(guī)律數(shù)據(jù),編寫系統(tǒng)穩(wěn)定性模擬仿真軟件。利用ActiveX技術(shù)通過DDE動態(tài)連接在LABVIEW中調(diào)用MATLAB的.m文件,建立MATLABScript節(jié)點,在該節(jié)點中編寫MATLAB程序代碼,完成靶面光斑重心穩(wěn)定性xy散點圖的繪制,將散點圖保存,并利用LABVIEW的圖像處理函數(shù)庫IMAQVision調(diào)用圖片在前面板顯示。輸入x向參數(shù)(即測量得到的光學(xué)元件x向穩(wěn)定性數(shù)據(jù)或者是根據(jù)x向誤差分配值按照一定分布產(chǎn)生的隨機數(shù))、y向參數(shù)(即測量得到的光學(xué)元件y向穩(wěn)定性數(shù)據(jù)或者是根據(jù)y向誤差分配值按照一定分布產(chǎn)生的隨機數(shù)),輸入各數(shù)據(jù)的比例系數(shù)(根據(jù)表1公式計算得到),也就是透鏡變化單位μm或反射鏡變化單位μrad時的靶面光斑重心偏移量。利用光線追跡和傳輸矩陣,每個光學(xué)元件漂移量分布為正態(tài)情況下,直接對所有光學(xué)元件穩(wěn)定性數(shù)據(jù)取均方根即得到光束在靶面偏移量,而每個光學(xué)元件漂移量分布為普通隨機分布情況下,將所有光學(xué)元件對靶面光斑重心穩(wěn)定性造成的偏移相加減,即可得到光束在靶面偏移量,進而得到xy坐標(biāo)畫散點圖,并將數(shù)據(jù)及圖片保存。3結(jié)果與分析3.1光學(xué)元件穩(wěn)定性測量光學(xué)元件穩(wěn)定性表現(xiàn)為長時間單調(diào)緩慢變化的漂移量和快速雙向變化的抖動量,其中漂移量利用自動準(zhǔn)直來調(diào)節(jié)。對實驗室環(huán)境下各光學(xué)元件抖動量進行測量,得到的典型數(shù)據(jù)曲線如圖3所示。輸入各光學(xué)元件的穩(wěn)定性測量數(shù)據(jù),令采樣數(shù)為10000,以原點為圓心,半徑為30畫圓,以光斑重心坐標(biāo)在圓內(nèi)的百分比衡量靶面光斑穩(wěn)定性,對光路進行模擬仿真。如圖4示,此時滿足穩(wěn)定性指標(biāo)要求比例為89.54%,靶面光斑重心最大偏移將近80μm。光學(xué)元件穩(wěn)定性測量數(shù)據(jù)沒有排除氣流擾動的影響,而且現(xiàn)有M21,M22,M25,M26,CM1及CM2鏡架不夠穩(wěn)定,偏移達到2.5μrad。為使靶面光斑重心穩(wěn)定性滿足要求,需要對實驗室氣流擾動進行控制,比如采用真空管道,設(shè)計M21,M22,M25、M26、CM1及CM2的高穩(wěn)定性支撐鏡架。3.2測定靶面光斑穩(wěn)定性為了使靶面光斑能夠滿足穩(wěn)定性指標(biāo)要求,進行了全光路的誤差分配,對誤差分配結(jié)果進行模擬仿真驗證。利用各個光學(xué)元件的誤差分配結(jié)果,對光路進行模擬仿真。輸入各光學(xué)元件xy向誤差分配值,令采樣數(shù)為10000,以原點為圓心,半徑為30畫圓,以光斑重心坐標(biāo)在圓內(nèi)的百分比衡量靶面光斑穩(wěn)定性,如圖5示,此時滿足穩(wěn)定性指標(biāo)要求比例為99.39%。但由表2可知,M21,M22,M25,M26,CM1和CM2分配結(jié)果分別為1.0,1.5,0.8,0.8,1.4和1.0μrad,相對其他光學(xué)元件分配小很多,這對實驗室環(huán)境和支撐鏡架的設(shè)計及加工提出很高的要求,較難實現(xiàn),需要結(jié)合實際加工能力對這些高要求光學(xué)元件穩(wěn)定性進行再分配,以實現(xiàn)優(yōu)化調(diào)整。3.3反射鏡分配值對靶面光斑重心坐標(biāo)穩(wěn)定性的影響對光路中所用到透鏡的平移和反射鏡的轉(zhuǎn)動進行測量,在假定采用真空管到排除氣流擾動的影響下,得到透鏡抖動量最大為1μm,反射鏡抖動量最大為1μrad。根據(jù)分配結(jié)果可知,很多光學(xué)元件的分配值遠大于此測量數(shù)據(jù),所以在保持穩(wěn)定性裕量前提下,可以對光學(xué)元件進行再分配。假定所有光學(xué)元件的抖動是以原點為中心的正態(tài)分布,分別設(shè)定其它影響較小的透鏡分配值為1.5μm、反射鏡分配值1.5μrad(case1)及透鏡分配值2μm、反射鏡分配值2μrad(case2)進行模擬仿真,改變M21,M22,M25,M26,CM1及CM2的分配值θ,得到相應(yīng)靶面光斑穩(wěn)定性如表3所示。可以看出,在M21,M22,M25,M26,CM1及CM2的分配值θ變大時,兩種情況靶面光斑重心坐標(biāo)穩(wěn)定性變差;對兩者比較,M21,M22,M25,M26,CM1及CM2分配值相同情況下,case1比case2穩(wěn)定性要好;假定靶面光斑重心穩(wěn)定性滿足指標(biāo)的要求為大于95%,則case1中M21,M22,M25,M26,CM1及CM2的分配值θ為1.7μrad,而case2中M21、M22,M25,M26,CM1及CM2的分配值θ為1.6μrad。當(dāng)然,case1比case2中θ大是以其它光學(xué)元件分配值的減小為代價的。影響較大光學(xué)元件直徑都比較大,要求越高價格越昂貴且難以加工,選擇case1作為最優(yōu)化分配方案,即M21,M22,M25,M26,CM1及CM2均分配1.7μrad,而其它光學(xué)元件透鏡分配1.5μm,反射鏡分配1.5μrad。4仿真結(jié)果及分析利用LABVIEW和MATLAB相結(jié)合的方式,根據(jù)光線追跡和傳輸矩陣原理,在假定光學(xué)元件穩(wěn)定性按照一定模型分布下,分別對光學(xué)元件誤差分配結(jié)果及現(xiàn)有實驗室