大口径连续相位板远场光强的离线测试实验

为了准确测试和评价大口径连续相位板（CPP）元件的远场光强性能,根据激光装置需求建立了351 nm波长下大口径CPP远场光强离线测试系统,开展了330 mm330 mm口径CPP元件测试实验,并与标量衍射计算结果进行对比,分析了系统的测试重复性和测试精度。实测系统远场弥散斑大小为2.9倍衍射极限,可测试最大口径为圆形f600 mm和方形430 mm430 mm。测试系统在焦点2 mm范围内的能量集中度测试重复性优于0.2 %。计算和实验焦斑形貌及分布吻合,实测能量集中度比计算结果小0.85%、焦斑半径大13 m左右,差异由实测系统的时间匀滑作用引起,可通过缩短曝光时间和减小系统像差等措施进一步提高测试精度。     

磁流变加工的连续相位板波前及光强特性

对采用磁流变抛光(MRF)工艺加工的大口径连续相位板(CPP)的波前及其光强控制特性进行了分析,对由不同的加工参数(走刀间距和走刀偏置)所加工的三组CPP进行了比较,并分析了MRF加工所引入的中频误差对CPP波前和光强特性的影响。结果表明,走刀间距为2mm、对应走刀偏置范围为0.1~0.3mm时所加工CPP的波前及其光强控制能力较差,远场有一定程度的旁瓣产生;走刀间距为2mm、偏置范围为0.4~0.5mm时所加工CPP和走刀间距为1mm、偏置范围为0.1~0.3mm时所加工CPP相比较,迭代加工效率提高,CPP波前中频误差得到一定的改善。进一步分析表明MRF所引入的中频误差对CPP波前梯度及旁瓣影响较大。     

影响连续相位板聚焦性能的主要因素

为提高惯性约束聚变系统中聚焦光斑的能量集中度,分析了在应用过程中影响连续相位板性能的主要误差来源,并建立了相应的数学模型。通过分析得出存在误差时远场焦斑的能量集中度和均方根值,且口径误差、对准误差、振幅畸变误差对连续相位板的聚焦性能影响很小,波前畸变影响能量集中度的权重最大。进一步分析可知:当畸变波前相关长度与连续相位板的最小空间周期（10 mm左右）相当时,畸变波前极大地影响激光的聚焦性能,提高惯性约束聚变系统中畸变波前的相关长度是提高聚焦光斑的能量集中度的有效方法。     

用于光束匀滑的连续相位板近场均匀性

 为降低高功率激光系统中连续相位板(CPP)后续元件的强激光损伤风险,综合考虑入射光强调制、干涉及衍射作用等多种影响因素,建立了CPP近场计算分析模型,模拟和分析了这些因素对CPP后的近场均匀性的影响。理论分析结果表明：CPP后的光束近场均匀性主要受入射光调制、CPP表面剩余反射率和衍射传输距离的影响;当入射光束质量较差时,CPP后的近场均匀性主要由入射光束质量决定,CPP剩余反射率和衍射传输距离对近场均匀性影响相对较小;但当光束质量比较理想时,干涉和衍射作用会破坏CPP的近场均匀性,衍射传输距离影响尤为突出。     

波前畸变下连续相位板焦斑的计算与实验

为了提高惯性约束聚变(ICF)激光装置中连续相位板(CPP)的焦斑性能,建立了波前畸变下连续相位板焦斑的理论计算和分析模型,并根据CPP使用条件搭建了三倍频大口径CPP远场离线测试系统。对加工330mm×330mm口径的CPP和波前畸变元件进行了理论计算和离线测试实验的对比研究。理论计算和实测的焦斑形貌、参数数值均非常一致,验证了计算模型的正确性和实验系统的可靠性。理论和实验结果一致表明,波前畸变对CPP焦斑性能的影响非常严重,当弥散斑为0.5倍CPP焦斑时,畸变量已对CPP焦斑形貌产生了很大影响,能量利用率下降值大于4%,焦斑半径增大超过20μm,陡边阶数下降1.3阶,不均匀性均方根(RMS)值下降6%,旁瓣份额增长超过0.5%。     

小型流化床内化学链热解煤焦油实验研究

为优化煤焦油化学链热解的工况参数,采用Fe/Al复合载氧体在小型流化床反应器内进行了煤焦油化学链热解实验,考察了燃料反应器温度、载氧体/煤焦油摩尔比及反应时间对热解结果的影响,对炭黑收率、气相产物的体积分数进行分析,并计算了实验系统的碳平衡及能量转化率。结果表明,炭黑收率随温度和载氧体/煤焦油摩尔比升高先增后减,在温度950℃和摩尔比3时达到最大,气相产物中CO和H2体积份额为70%左右,继续升高炉温和摩尔比会降低CO份额。系统碳平衡为95.5%以上,误差较小,则系统能量转化率最高可达到87%.通过表观气速变化改变反应时间从2.1s增大到3.5s时,炭黑收率及能量转化率无明显变化,由此确定了化学链热解煤焦油的优化运行参数.     

基于工艺的连续相位板设计

为改善惯性约束聚变(ICF)系统中聚焦光束质量,降低元件的加工难度,建立了基于工艺的连续相位板(CPP)理论设计模型,并从初相选取、相位展开、滤波、焦斑频谱控制等多方面改进了传统的G-S算法,比较分析了传统设计方法和基于工艺设计方法设计的CPP的加工特性和焦斑性能.基于工艺设计的CPP面型光滑,其产生的焦斑顶部均方根(RMS)和能量利用率η分别从传统G-S的62.8%和98.0%改进到16.9%和98.6%,而且有效抑制了10～100 μm的频谱成分.结果表明,基于工艺的CPP设计方法能够较好满足现有工艺约束条件和物理需求.     

大口径连续相位板拼接检测误差分析

对大口径连续相位板（CPP）在子孔径拼接检测过程中存在的几种影响检测精度的主要因素, 包括定位误差、系统误差和拼接模式等进行了归纳并分析了其对检测精度的影响权重。通过对子孔径重叠区域分布的均匀性计算，分析了检测误差对拼接质量的影响。结果表明，定位误差是影响CPP拼接精度的主要原因，而对系统误差进行有效处理可以进一步减小重叠区非均匀性，拼接模式的选择对CPP的拼接结果的影响有限。通过CPP深度特性对重叠区域均匀性的统计分析表明，在像素级别的检测中，重叠区域均方根残差随着CPP深度的增加而线性增加，即拼接精度随CPP深度的增加而降低。     

大口径连续相位板面形检测与评价

基于全局最小二乘拼接算法和图像融合算法建立了连续相位板（CPP）子孔径拼接检测算法,并根据全局相关匹配原理提出采用面形残差来评价CPP的加工面形。采用高精度动态干涉仪等设备建立了相应的检测系统,并针对430 mm430 mm口径CPP开展了数值模拟和检测实验。理论计算结果表明:系统计算误差为0.005 nm。实验结果表明,整个检测系统软硬件RMS误差小于5 nm,基本满足CPP面形检测要求。从而验证了CPP检测和评价的正确性和可行性。