摘 要 为了探讨用无规位相板实现靶面均匀辐照光学系统的特点,首次进行了靶面在离焦情况下辐照均匀性的实验研究。实验结果表明:靶面在聚焦透镜焦面前后较大范围内均可得到均匀辐照,靶面上光强起伏的平均峰间距小于8μm。
靶面均匀辐照是惯性约束聚变(ICF)实验必不可少的条件。目前,人们已提出了多种实现靶面均匀辐照的技术方案[1~3],但迄今为止,仍没有一种方案能完全满足该实验的所有要求。无规位相板(RPP)均匀辐照技术[4~6]具有靶面焦斑形状和大小易于控制、无规位相板容易制作与使用等优点,同时也可以很方便地结合其它技术(如光谱色散平滑、诱导空间非相干等)实现靶面均匀辐照。因此,该技术一经提出,立即引起了人们的注意。
如图1所示,无规位相板是由许多相同尺寸δ的正方形按阵列形式排列组成,位相板上的正方形位相单元把入射光束波面分割成许多大小相同的子光束,并无规则地使之产生0或π(二阶)相移,经聚焦透镜后分别传递到同一靶面(即透镜焦平面),各个子光束衍射图样随机相干叠加就产生了靶面辐照均匀的效果,而由干涉产生的细密光强起伏很容易借助激光等离子体中的电子热传导作用来平滑,最终实现激光能量在靶面上的均匀沉积。
1 实验和结果分析
实验光学系统如图2所示。显微物镜和CCD组合在一起并安装在精密调整架上,调整架位移精度为1μm,通过调整架的精密位移机构,能方便地观测到透镜焦面前后不同位置平面上的光强分布。实验中所使用的位相板是用微电子设备和工艺制造的,它是在石英玻璃基体表面蚀刻出所需要的微浮雕结构图形。主要工艺过程可分为四步:图形的设计、掩模板的制作、图形转移和离子蚀刻,其中蚀刻是最重要的环节,它直接影响元件的成本和质量。实验参数:激光波长λ=0.6328μm,位相元尺寸δ2=0.4mm×0.4mm,透镜焦距f=120mm,显微物镜放大倍率为10倍,CCD象素大小约为6.5μm×6.3μm,准直平行光口径D=38mm。
在实验系统有、无位相板时,测得的焦斑图形如图3所示,图3a中的焦斑直径接近衍射极限2.44λf/D≈4.9μm,图3c是图3b的三维光强分布图形,图4对应地表示出了它们的中心剖面光强分布。
在无规位相板均匀辐照实验光学系统中,接近衍射极限的干涉尖峰间距经10倍显微物镜放大后,完全能用象素大小为6.5μm×6.3μm的CCD进行测量,因此,获得的测量结果能反映实际的光强分布情况。靶面光强分布的包络图样即为RPP位相单元衍射的图样,其主瓣宽度理论值为2λf/δ≈380μm的范围内,实验和计算机模拟计算分析都证实了这一结论。由于CCD动态测量范围不够大,所以在实际的测量过程中,必须适当调节衰减片的透过率,避免CCD饱和,以获得光斑中央区域的完整光强分布图形。
比较图3a与图3b可以看出,有位相板时,光斑尺寸显著地增大,其理论值为2λf/δ≈380μm,光斑中央区域均匀性得到了明显的提高。由图4b可以看出,图形对称性不够好,用同一种位相分布的掩模板制作出的不同位相板进行实验比较,结果表明位相板刻蚀深度误差会引起光强分布不对称性,因此保证位相板的制造精度是非常必要的。另外,对测量的结果进行分析可知,干涉引起的光强起伏尖峰平均间距小于8μm,能满足激光核聚变实验所需要的峰间距小于10μm的要求。
在实验系统中,通过调节调整架的精密位移机构,对焦面前后±140μm区间内不同位置平面上的光强分布进行测量和记录,并且相应地计算出光斑中央280μm×280μm范围内光强度值的标准偏差σ,实验结果如图5所示。可以看出:当靶面位于焦面前后±140μm区间不同位置时都有均匀程度较为一致的光强分布,在此离焦区间内光斑的形状和大小变化很小。这为ICF实验中靶丸位置的调整提供了更多的便利;图5还给出了模拟分析计算的结果,理论计算和实验结果吻合得较好。模拟分析计算时,假设入射光束为均匀平面波(参见图1),靶面离焦情况下其光场分布可看作是E(x1,y1)·tlens(x1,y1)光场的菲涅耳衍射的结果,其中E(x1,y1)为位相板后表面光场分布,tlens(x1,y1)=exp〔-ik(x12+y12)/2f〕为透镜的透射函数。
2 结 论
综上所述,使用无规位相板的均匀辐照光学系统能明显地提高靶面辐照的均匀性;靶面在聚焦透镜焦面前后较大范围内均可得到均匀辐照;靶面上由干涉引起的光强起伏的尖峰间距很小,能满足ICF实验的要求。由于靶面光斑包络是位相板位相单元的衍射图样,改变光斑包络形状,就有可能改变靶面光强分布图样,因此,合理选择不同形状和不同尺寸的小位相单元组成一块无规位相板,通过不同位相元的不同衍射图样之间的相互调制作用,可望能在靶面上得到能量更集中、边缘更陡直、辐照更均匀的光斑。
参考文献
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本文作者：刘增水 黄惠杰 路敦武 王润文
