用于波前传感的随机编码混合光栅设计及误差分析

发布时间：2020-08-28 01:33

【摘要】：激光惯性约束聚变(ICF)利用大功率激光将高强度能量均匀地作用于装填D/T燃料的微球靶丸上,实现受控热核聚变反应,为人类提供丰富安全的能源,其中D/T冰层的密度均匀性是实现成功点火的重要参数。为了获得微球靶丸的三维密度场信息,采用干涉方法对携带有微球密度均匀性信息的波前进行检测,以获得微球内的折射率分布,从而为微球靶丸的三维密度场信息检测提供基础。本文提出采用四波横向剪切干涉系统对携带有微球密度均匀性信息的波前进行检测,并设计了衍射场中只有四个级次的随机编码混合光栅。由期望得到的四波前衍射频谱出发,根据夫琅禾费衍射原理并结合光通量约束的随机编码方法得到了由振幅编码光栅和棋盘式相位光栅组成的随机编码混合光栅。与现在常用的分光元件MHM、相位光栅相比,其衍射场中只有等光强的四个级次(±1,±1),体现了随机编码混合光栅在四波横向剪切干涉中的明显优势。分析确定了四波横向剪切干涉系统参数。根据光栅方程建模对四波横向剪切干涉的剪切率进行分析,结果表明剪切率随着待测光束口径的增大而非线性增大,随着光栅栅距的增大非线性地减小,并趋于定值,同时观察距离随着光栅栅距的增大而线性增大,并且待测光束口径越大,线性斜率越大。通过对随机编码混合光栅加工过程中存在的加工误差及实验中振幅编码光栅和相位光栅的对准误差进行分析,得到了相应的容差范围。分析结果表明,当相位光栅的深度刻蚀误差控制在±34.66 nm、侧壁陡直度大于55°,并且实验中振幅编码光栅与相位光栅的对准偏移量控制在3μm以内时,随机编码混合光栅的夫琅禾费衍射光场中其他级次光强与主级次(±1,±1)级相比可以忽略。最后,将加工误差严格控制在容差范围内的随机编码混合光栅放入横向剪切干涉系统中,得到其远场衍射光斑分布和四波横向剪切干涉图。实验结果表明随机编码混合光栅的远场衍射光场中只有(±1,±1)四个级次存在,而且其衍射光强相等；同时,基于随机编码混合光栅的四波横向剪切干涉图条纹稳定,干涉图不随观察距离的变化产生周期性的泰伯效应,可以实现任意畸变的波前检测。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O436.1;TL632.1
【图文】：

惯性,玻璃微球,微球,内爆

图１．１惯性约宋聚变逡逑在惯性约宋聚变实验中常用的聚变乾丸是内部充有Ｄ／Ｔ气体的空尼＇玻璃微球和塑逡逑料微球，如图１．２（ａ）所示，其直径为５０？１０００叫ｎ，壁厚为化５￣２０｜＿ｉｍ，从外到内微球壁、逡逑Ｄ／Ｔ冰层、Ｄ／Ｔ气体的折射率分别约为巧二１．５４，ｎ，邋＝１．１６，７７，邋＝１。微球祀丸的大小、结逡逑构和材料的化学成分对实验中激光的吸收、岕合、中子产额高低及爆聚的均匀性和对称性逡逑影响巨大Ｕ‘＂，其中微球乾丸的壁厚不均匀性及球形度偏离引起的低球谐模扰动会降低巧逡逑爆的收缩比，乾丸表面的粗粮度和壳层材料密度的不均匀性引起的中高球谐模扰动会降低逡逑内爆的形状因子，因此X1丸制作过程中各种参数都需要严格控制，壁厚偏差要求在逡逑０．０３？０．５邋ｉ0ｍ，内夕ｈ壁不同瓜度要求在０．１？０．５邋＾ｍ。为实现高效内爆抑审ｉｊ祖丸内爆期间逡逑Ｉ逡逑

示意图,微球结构,示意图,微球

流体为学不稳定（如民ａｙｌｅｉｇｈ－Ｔａｙｌｏｒ不稳定等），要求ll#等燃料在X1丸内壁形成高度均匀、逡逑光滑巧面粗粮度需小于１邋Ｍｍ）且中成对称姆＇。度需大于９９％）的固态冰层。其中微球的均逡逑勾性如图１．２（ｂ）所示，包括微球表面粗粮度、冰层厚度均R约氨忝芏染刃裕庑┎五义鲜墓庋Р饬坎唤龇从沉宋⑶蚯璧哪诓拷峁狗植迹币捕愿呔惹璧闹谱骶哂兄傅煎义献饔谩ｅ义先剑╁危ǎ猓╁义希模员悖海模员闳纾桑义衔⑶虮冢呵慑危模云澹嚎冢冲挝⑶虮冢呵慑危模云澹哄义贤迹保参⑶蚪峁故疽馔肌＃ǎ幔┚瘁缜颍唬ǎ猓┓蔷任⑶蝈义蟃B前国内外针对ＩＣＦ壚丸均勾性测量开展了较多的研究：中国工程物涅研究院研制了逡逑匹配于原子力显微镜的确定X1丸４；ｒ定位握动装置Ｗ，可Ｗ将X1丸在水平和垂直方向上旋转，逡逑实现了对X1丸整个４；ｒ表面粗猎度测量；北京理工大学利用差动共焦原理在激光差动共逡逑焦轴向响应曲线的零点对微巧壚丸的内外表面和琼成分别进行定位，然后结合物镜位移驱逡逑动技术，最终实现了靴丸内外表面和壳层厚度的高精度测量，并提高了系统的抗干扰能力；逡逑哈尔滨工业大学对原子为显微镜结合精密旋转轴系的方法进行了新的改进增加了用于逡逑转换位置的辅助轴系，从而实现了X1丸表面３个正交方向上的精确转换和测量；美围罗彻逡逑斯特大学提出对于透明微球在仔细控制其制作过程中所形成的冰层后＂ｊ，可Ｗ利用光宋逡逑穿过微球的阴影图像法来检测其内表面冰层密度均匀性；法国的ＬＭＪ激光装置利用两种逡逑方法同时测量Ｄ／Ｔ冰层的光学厚度ｎ’ｌ＂：干涉法和阴影法

原理图,点衍射干涉仪,原理图,径向剪切

验中需要将会聚光宋通过针孔，导致光宋对准较为困难。逡逑１．２．２径向剪切干涉技术逡逑径向剪切干涉仪诞生于上个世纪五六十年代，其基本原理如图１．４所示Ｍ，原始光束逡逑在经过径向剪切干涉仪后将分为缩束或者扩束的两列波前，这两列波前彼此产生一定的相逡逑位差，并最终在其成像面上的重叠区域形成径向剪切干涉图。逡逑图１．４径向剪切干涉原理图逡逑４逡逑

【相似文献】