利用消衍射透镜列阵及光谱色散平滑实现焦斑均匀辐照

提出将空间域的透镜列阵法和时间域的光谱色散平滑法结合起来实现靶面的均匀辐照. 消衍射型透镜列阵能获得边缘陡峭且顶部较平坦的准近场焦斑，光谱色散平滑则能有效地抹平焦斑内部由多光束干涉引起的细密条纹. 数值结果显示，通过该方案能获得均匀性较好的焦斑. 进一步分析了光谱色散平滑单元中位相调制和光栅的参数对辐照均匀性的影响，发现参数的选取要在焦斑均匀性和能量利用率之间取得合理平衡，以在整体上获得最佳的均匀辐照效果. 关键词： 光谱色散平滑 透镜列阵 衍射 多光束干涉     

谱色散平滑与透镜列阵联用实现均匀照明

为满足激光惯性约束聚变中靶面激光辐照不均匀性低于5%的要求,在目前使用透镜列阵基础上,提出了谱色散平滑与透镜列阵联用方案,对其进行数值计算并分析其平滑效果和应用可行性。结果表明:焦斑的不均匀性从单独使用透镜列阵时的14%降低到与谱色散平滑结合后的3%;对焦斑点功率谱的分析表明谱色散平滑通过抑制焦斑中高频的频谱强度达到平滑效果。该方案可以进一步提高焦斑平滑效果,计算结果对实际应用有着重要的参考意义。     

光场相干性对线聚焦均匀性的影响

采用高斯－谢尔模型（ＧＳＭ）光束来模拟部分相干光，研究了具有不同相干多数β的ＧＳＭ光束经柱透镜列阵系统变换后聚焦场的光强分布，并详细讨论了衍射效应和干涉效应对辐照均匀性的影响。     

列阵均匀照明系统的优化设计

 结合理论分析和神光系列装置均匀照明系统的设计和实验经验, 从光的衍射、干涉与光束质量等角度分析了由透镜或衍射光学元件组成的列阵大焦斑均匀照明系统参数与靶 面焦斑强度分布的关系, 提出了列阵系统的优化设计方法。     

部分相干光经柱面球差透镜聚焦所产生的焦移

利用Collins公式得出光强均匀部分相干光经柱面球差透镜聚焦后的轴上光强分布,并通过数值模拟的方法研究了入射光的菲涅耳数、相干度和透镜的球差对轴上点光强分布的影响.结果显示,当菲涅耳数较小、空间相干度较小的部分相干光经无球差透镜聚焦时,轴上点光强分布会产生焦移现象,而当部分相干光被球差透镜聚焦时,也会有焦移现象产生.     

倍频激光直接驱动透镜列阵均匀照明系统的优化设计与实验考核

在目前“神光”-Ⅱ器件尚不具备其它更为先进的束匀滑手段的前提下，2004年对透镜列阵束匀滑系统作了进一步的优化设计，以改善和提高靶面光强均匀性。在进行大量计算和比对的基础上，设计了如表1所列的3套新的列阵透镜参数。3套均匀化系统的焦斑尺寸大小基本一样，这是因为实验对此有一定的要求，但对冲击波平面性有很大影响的衍射调制周期有较大的差别，这可能成为决定冲击波平面性好坏的关键所在。     

采用透镜列阵与光谱色散改善三倍频小焦斑辐照均匀性

通过数值模拟研究了高功率激光驱动器的光束均匀辐照情况, 分析了三倍频激光辐照下小焦斑的光强分布及空间功率谱. 采用透镜列阵可降低光束近场畸变的影响并控制靶面焦斑的包络形状; 采用二维光谱色散匀滑技术可明显地消除焦斑内部大反衬度的强度调制, 且该方法在焦斑非常小的情况下也仍然有效. 大量的数值模拟结果表明, 光谱色散匀滑技术应用于尺寸不同的焦斑时, 其效果是有差异的. 对大焦斑而言, 光谱色散匀滑主要抹平其内部细密的条纹, 即消除中高空间频率范围的强度调制; 对小焦斑而言, 光谱色散匀滑主要消除中低空间频率范围的强度调制, 故将影响焦斑的整体包络形状. 本文所得的数值结果对间接驱动实验中激光束匀滑方案的选择和优化具有参考价值.     

部分相干光通过光阑-透镜分离系统的光谱特性

通过部分相干光的传输理论,研究了部分相干光通过光阑-透镜分离系统的光谱位移和光谱开关.理论分析和数值计算结果表明,部分相干光的光谱相移和光谱开关主要决定于光束的相干性、光阑的菲涅耳数以及光阑和透镜之间的距离.所取系统参量不同,光谱开关的数量和位置会随之发生变化.     

高功率激光聚焦均匀照明靶面的验证

由正六边形的球面透镜列阵和一个非球面的主聚焦透镜组成的聚焦系统,用于改善高功率激光(10~(12)W)聚焦照明靶面的均匀性,得到实验上的证明.文中报道了采用这个聚焦系统进行的激光驱动高压冲击波实验,显示出了均匀照明对改善激光冲击波平面性的良好的效果.     

激光远场焦斑测试技术的实验研究

 实验研究了激光远场焦斑能量分布测试的三种方法（长焦距透镜法、列阵相机法、Rattle Pair法），对三种测试方法得到的实验数据进行了比对，系统地分析了每种方法的优缺点。结果表明,采用长焦距透镜与一对微楔角劈板组合测试激光远场焦斑的方法更具优势，可减少测试系统引入的像差，并使图像处理过程得到简化。     

Two-Dimensional Multi-Lens Array with Circular Aperture Spherical Lens for Flat-Top Irradiation of Inertial Confinement Fusion Target

A two-dimensional multi-lens array 350 mm in diameter with spherical element lenses has been tested to improve the irradiation uniformity of a high power glass laser for inertial confinement fusion (ICF). A circular shape for the element lens aperture is chosen to eliminate azimuthally asymmetric intensity distribution. An approximate flat-top intensity distribution is obtained with a lens array of 37 lenses. Beam patterns of a coherent laser and partially coherent light (PCL) with the random phase plate (RPP) and the multi-lens array (MLA) are measured in a GEKKO XII glass laser system. Spherical mode structure of the irradiation nonuniformity of 5.6% with MLA is estimated with cos3 θ distribution of absorption coefficient in the target plasma.     

部分相干椭球光笼

 从理论上研究部分相干光束经透镜聚焦的三维光强分布。研究结果表明,在几何焦点附近的光强分布不仅依赖于入射部分相干光束的光强分布,而且还依赖于入射光束的空间相干度。基于这一点,提出了一种控制部分相干光束的空间相干度,在几何焦点附近获得了类似椭球光笼形状的光强分布的新方法。通过控制入射部分相干光的空间相干度,来改变聚焦在几何焦点附近的三维光强分布,从而获得希望得到的光强分布。     

部分相干光被环形透镜聚焦而产生的焦移

 从理论上研究部分相干光被一环形透镜聚焦,在焦点附近的轴上点的光强分布。研究结果表明,当部分相干光被一环形透镜聚焦时,最大聚焦光强不在几何焦点,而是位于透镜与几何焦点之间,出现焦移现象。并且,焦移量不仅依赖于透镜外半径的菲涅耳数,还依赖于部分相干光的空间相干度和中心拦截比。透镜的菲涅耳数越小,焦移越大;部分相干光的空间相干度越低,焦移越大。当菲涅耳数一定时,环形透镜的中心拦截比越大,焦移越大;当空间相干度很小时,情况就变得比较复杂。     

Propagating a partially coherent radially polarized beam through aligned and misaligned ABCD optical systems

In the present work the propagation of a partially coherent radially polarized beam through aligned and misaligned ABCD optical systems is discussed. The elements of the beam coherence-polarization matrix for a partially coherent radially polarized beam propagating through these systems are derived for the first time. Using the derived analytical results the intensity distribution of the focused partially coherent radially polarized beam after a low-NA lens is investigated. It is shown that the coherence of the light source affects the beam intensity profile at the focal plane significantly, while for the given coherence of the light source the focal length of the used lens does not affect the beam intensity profile at the focal plane. This is consistent with the case of a partially coherent Hermite-Gaussian beam, as expected.     

部分相干平顶高斯光束通过球差透镜的聚焦特性

 基于部分相干光的传输理论，研究了部分相干平顶高斯光束通过球差透镜聚焦后轴上点的光强分布。数值计算表明:轴上最佳聚焦点随着球差从负到正的变化而向几何焦点方向移动；光束阶数越大，实现最佳聚焦点越过几何焦点所需的正球差值越小；正负球差对应的最佳聚焦点始终分居于无球差时最佳聚焦点的两侧;轴上最佳聚焦点的光强随着球差从负到正的变化而变小；当正负球差绝对值较大时，光强随球差的变化较为缓慢，而在球差值为0附近，光强随球差的变化比较剧烈。     

Degree of polarization of a tightly focused partially coherent dark hollow beam

Propagation of a linearly polarized partially coherent dark hollow beam (DHB) through a high numerical aperture (NA) thin lens is formulated. The tight focusing properties, such as the degree of polarization, the intensity distribution, and the degree of coherence, of a partially coherent DHB are investigated in detail. It is found that the focusing properties of a partially coherent DHB are closely determined by the initial coherence, beam order, and the NA of the thin lens.     

基于低相干光的阵列透镜束匀滑技术研究

基于激光加载的材料状态方程的实验研究对靶面光强分布的均匀性及稳定性提出了极高的要求,靶面光强的上述两大特性在很大程度上决定了实验结果的精度和可重复性.本文针对传统窄带高相干激光装置在激光加载材料状态方程实验中表现出的靶面光强均匀性和光强分布稳定性两方面可能存在的问题,提出了基于宽带低相干激光,利用消衍射阵列透镜联合诱导非相干技术的束匀滑方案,并重点分析了波前相位畸变对靶面不均匀性及稳定性的影响.模拟结果表明,该方法明显降低了靶面不均匀性,提高了对波前相位畸变的包容度,获得了均匀、稳定的光强分布.统计分析显示,焦斑强度分布极差和不均匀性与波前相位畸变均方根梯度相关性较强.因此,可以根据统计结果以及实验对焦斑强度分布的要求,给出波前相位畸变的容差范围,对状态方程实验中激光驱动器参数的设计与优化具有指导意义.     

部分相干光对周期性局域空心光束的影响

用旋转毛玻璃和光阑把激光变成部分相干光, 再经过双轴棱锥系统把一束平行光变成两束同频率但不同径向波矢分量的无衍射贝塞尔光, 相干叠加产生了部分相干的周期性局域空心光束. 通过干涉理论与实验结果相互佐证, 得出局域空心光束的周期为2.5 mm. 进一步探究入射光场相干度对产生局域空心光束的影响, 发现随着相干度的降低局域空心光束中心暗斑与周围光强的衬比度会降低, 但不影响局域空心光束的周期以及中心暗斑尺寸.     

Focusing properties of twisted Gaussian Schell-model beams passing through a system: The aperture lens or the aperture and lens separated

Starting from the propagation law of partially coherent light, the focusing properties of twisted Gaussian Schell-model (TGSM) beams passing through an optical system consisting of an aperture lens or through a system consisting of a separated aperture and lens are studied. The propagation expressions for focused TGSM beams have been derived. Our main attention is focused on the effect of the coherence of partially coherent light, the twist parameter and the distance between the aperture and lens on the focusing properties of TGSM beams. Numerical calculation results are given to illustrate how the coherence of partially coherent light, the twist parameter and the distance between the aperture and lens affect the axial irradiance in the focused field.     

部分相干光与相干光在湍流中的传输特性实验研究

相干光经湍流传输引起光强闪烁效应,理论研究表明利用部分相干光可降低该影响,而相关的实验验证鲜有报道。利用水介质的对流湍流池模拟产生了Rytov方差为0.04~0.16的湍流,进行了弱起伏区湍流中部分相干光及相干光的传输实验,由接收光强计算出其光强闪烁指数随湍流Rytov方差的变化关系。实验结果表明:随着湍流强度的增加,部分相干光与相干光的闪烁效应均增强,但部分相干光的闪烁指数小于相干光。将实验数据与Andrews等人建立的闪烁指数理论模型进行比较,得出了较为一致的结论。