摘 要: 结构稳定性是ICF驱动器一个重要的设计指标。根据激光原型装置( TIL)多程放大、框架式设计的特点,结合矩阵光学对单个光学元件对光束漂移的影响进行了分析,综合不同光学元件对光束漂移的影响,建立了光学元件稳定性指标分配的数学模型,根据原型装置特点对数学模型中各参数之间的关系进行了确定,求解得到了装置内各个光学元件的稳定性指标,以此作为光机系统结构稳定性的设计要求。经过对原型装置光路稳定性指标的测试,光路稳定性漂移x方向和y方向均方根值为2.78μm,峰谷偏差值x方向和y方向分别为14.4μm和15.60μm。结果表明原型装置结构稳定性漂移满足设计要求,稳定性指标划分方法合理。
受控热核聚变是解决未来能源需求的有效途径,惯性约束聚变ICF的提出为受控热核聚变的实现提供了可能[1]。随着研究的深入,惯性约束聚变点火目标的提出,MJ级ICF驱动器的建造成为紧迫的任务,为实现聚变点火,美国建造了NIF,法国建造了LMJ等[2]。高功率固体激光装置规模的扩大、输出能量的提高,给光学元件的加工、装置的建造带来了挑战。装置的结构稳定性是一个很重要的设计指标,而装置要求每路激光总的稳定性指标只有几十μm(NIF为50μm )[3],而涉及到的大口径光学元件有几十个[4],如何把总的稳定性指标准确、合理地分配到每个光学元件上,进而对光机构型提出要求,最终使建造的装置满足稳定性设计要求是装置建造过程中面临的一个难题。国外采用有限元法计算各激励源对光机系统稳定性的影响[5-6],以此为基础对稳定性指标进行划分,但这种方法需要确定装置的结构之后才能够进行,并且需要大量的计算。国内有学者采用线性加权理论对稳定性指标进行划分[7],但这种装置一般都是实验装置,很难找到有经验的专家给出权重指标。本文从装置结构本身入手,经过对相应结构合理地简化,结合光传输理论,对激光原型装置(TIL)的稳定性指标进行了划分。
1 激光原型装置光路结构分析
惯性约束聚变的基本原理就是通过高能激光束压缩充满氘氚气体的靶球,最终实现核聚变。高功率固体激光装置的研制就是为实现这种核聚变提供物理条件,目前多采用多程放大结构以提高驱动能量,因此每束光要经过很长路线的传输,并经过各种类型的光学元件。光束传播基本路线如图1所示。
不同结构的高功率固体装置对稳定性要求会有差别,目前采用较多的结构主要有4种,分别为内腔四程放大/助推单程放大、内腔六程放大/助推单程放大、内腔四程放大/助推四程放大、内腔六程放大/助推单程放大[8]。本文仅对内腔四程放大/助推单程放大构型装置进行稳定性指标划分。
光学元件对光束在靶面漂移的影响是研究稳定性指标划分的基础,不同类型光学元件稳定性对光束在靶面漂移的影响是不同的,对大口径反射镜来说,在激励源作用下沿坐标轴3个方向的平移并不影响光束的位置和方向,绕垂直入射光线(z轴)的旋转也不会影响光束的位置和方向,只有绕x轴、y轴的旋转才会影响光束位置和方向;对透镜来说,只有光轴位移的变化才会影响靶点光束位置的定位[7]。在多程放大构型的放大器中,光束多次通过的光学元件,其稳定性对光束在靶面漂移的影响与光束通过该光学元件的次数成正比。为了更清楚地表明光束经过光学元件的空间位置关系,根据光束从注入到在靶球定位整个过程经过光学元件的先后顺序绘制了图2[7]。
光学元件受外部因素以及自身结构的影响会对光束在靶点的定位产生影响,而每个光学元件对光束在靶点定位的影响是不同的,是随机的,符合高斯分布,因此各个光学元件对光束在靶面定位的影响可以表示为
式中:σ2drift为光束总体漂移指标;σ2IS,σ2CM等为各类光学元件稳定性指标。
2 光学元件对光束传输的影响分析
在高功率固体激光装置中,根据光学元件的漂移对光束在靶面定位的影响,把光学元件分为两大类,即透镜和反射镜。不同口径的透镜和反射镜对光束稳定性的影响可以用公式进行代换。单个光学元件对光束定位的影响可以用矩阵光学进行推导,大口径透镜的稳定性对光束在靶面定位的影响为[5]
式中:ΔXLM为透镜漂移引起的光束在靶面的漂移;n为光束通过光学元件的次数;ΔXL为大厅各类光学元件位移;ft为终端透镜焦距;fl为相应透镜焦距。
大口径反射镜角度漂移引入的光束在靶面的位移量为
式中:ΔθM为大厅内各类光学元件角漂移;α为光束与镜面之间的夹角。
由于反射镜受其它因素的影响,计算过程中,其对光束定位的影响采用保守的计算公式[5]
对高功率固体激光装置中小口径透镜和反射镜光学元件的稳定性对光束在靶面定位的影响等效为全口径的透镜和反射镜进行计算,计算公式如下
式中:σFL为小口径透镜等同于大口径透镜的漂移;σFM为小口径反射镜等同于大口径反射镜的漂移;DSL为小口径透镜的等效直径;DML为全孔径透镜的等效直径;ΔXSL是各小口径透镜的漂移指标;ΔθSM是各小口径反射镜的漂移指标。
结合式(1),(2),(4),(5),(6),各光学元件对光束在靶面的定位影响可以用下面的公式表示
式中:σdrift为漂移误差;f为各类光学元件的焦距;Δθamp为片装放大器泵浦热效应引入的角漂移;ΔθBT为充气管道气体流动引入的光束角漂移;D0,D5,D6分别为相应小口径透镜的等效口径;ΔθTM为靶场各类光学元件移;ΔXFL为靶场各类光学元件位移。
3 光学元件稳定性指标的确定
激光原型装置采用框架式可替换单元设计,所有的光学元件都放置在支撑架上,在受到环境载荷的影响后,光学元件的响应是支撑结构部件的质量、刚度、系统阻尼和激励强度的函数。支撑结构的固有频率f由支撑结构的质量和刚度决定,其关系如下式表述
式中:k表示支撑结构的刚度;m表示支撑结构的质量。结构的动力学响应由基频或震动的第一结构模式决定。这一频率还决定整个支撑系统的动力学响应,整个系统包括支撑结构、地基和镜架。光学支撑结构的总频率响应可表示为
在等式(9)中,响应由最灵活的项或f值最小的项决定。对于激光原型装置光学元件支撑系统,其支撑结构的刚度通常最低,特别是在考虑到地基的柔韧性的情况下更是如此。通常反射镜镜架固有频率比其支撑结构的固有频率大5~10倍。因此光学元件的响应与光学元件本身的镜架关系不大,与整个框架支撑结构有密切的关系,而整个装置的框架支撑结构都是相同的,也就是说光学元件的响应在相同外载荷激励下也是相同的,所有的光学元件转角和位移都是固定的,因此转角和位移之间有固体的关系,表示为
式中:系数K与设计的框架有密切的关系,该值可以根据设计的框架结构参数确定。
至于大厅和靶场光学元件转角之间的关系是由它们的激励源决定的,靶场需要考虑的激励源除了与大厅相同的激励源外,另外还包括:靶场及编组站声激励、靶场及编组站风振动、靶场及编组站HVAC压力波动和日温度瞬时变化。这些额外考虑的激励源决定了ΔθM要比ΔθTM小,它们之间的关系可以表为
其中m的值可以由额外考虑激励源的大小决定。
根据以上分析,联立式(7),(10),(11)就可以得到需要求解的各个参数。根据激光原型装置设计的参数,计算得到了光学元件的稳定性指标,如表1所示。
表1给出了高功率固体激光装置中大厅和靶场各光学元件的漂移量,同时给出了目前世界上最大的高功率固体激光装置NIF的分配结果[6]。由于NIF与TIL采用的是相似的结构,因此对比NIF与TIL稳定性指标的分配结果具有重要的参考意义。NIF总体稳定性指标为50μm,TIL总体稳定性指标为30μm,但在整个稳定性指标划分过程中,对各类光学元件稳定性指标影响较大的是终端透镜的焦距,NIF终端透镜焦距比TIL大得多,因此其光学元件稳定性比TIL要求得更严格,稳定性指标值更小。但是由于高功率固体激光装置在结构上基本上一样的,稳定性指标的差别也主要体现在绝对值的大小,具体的相对值差别不是很大,对比TIL和NIF的值可以发现,其比例绝对值比较接近,因此TIL稳定性指标的分配结果与NIF相比是合理的。
4 原型装置稳定性指标的测试
原型装置总体稳定性测试实验是在S2路进行的,采用CCD检测技术测量光束角漂的方法。CCD采集到的光束远场焦斑图像表示采集时刻光束远场的落点位置,在一段时间内,间隔相同时间采集到的一系列远场图像,可以勾绘出这段时间内表征光束方向的远场焦斑在CCD上的分布情况。根据CCD检测光路成像放大率,由远场焦斑在CCD上的分布情况,得到光路光束漂移情况。由于采用了远场焦斑定位的方法,不论采用哪种图像处理的方法,远场焦斑质量的好坏都会影响定位的准确性。为了克服光学元件边缘对光束质量的影响,所以在测试实验中,在预放输出近场像传递面上采取了限小孔径的方法,将口径为70 mm×70 mm的光束限成30 mm孔径的光束,远场采集点所采集得到的远场焦斑如图3所示。
整个测试时间持续60 min,每20 s采集一帧远场图像,采集到180帧有效远场图,用图像处理的方法得到了各个位置远场漂移对应到靶点的漂移情况,如图4所示。
靶点在远场得到的RMS测量值x,y向都是2.78μm,x,y向PV值分别为14.4μm,15.60μm。从测量结果来看,不仅RMS落在了稳定性指标25μm范围内,并且其极大值也落在了稳定性指标范围内。从测试结果来看,原型装置的稳定性指标划分是合理的,装置的稳定性指标满足设计要求。
5 结 论
高功率激光器技术的成熟,为惯性约束聚变“点火”的实现提供了可能,各主要国家都在为实现“点火”这一目标进行着紧张的研究工作。高功率固体激光装置是实现这一标的途径,随着高功率固体激光装置规模的增大,为了把光束的总体漂移控制在既定目标内,装置对其内部的每个光学元件提出了严格的要求,每个光学元件稳定性指标的确定直接关系到整个光路的总体漂移量以及装置的建设成本,对光学元件稳定性指标的研究具有重要的意义。本文根据激光原型装置多程放大的特点,对其光学元件的空间分布特点进行了研究,从矩阵光学出发研究了单个光学元件对光束指向的影响,并结合光学元件支撑结构的特点,对激光原型装置的稳定性指标进行了划分,从而根据该指标可以对光学元件及其支撑结构的设计提出明确的要求。经过对原型装置光路稳定性的检测,发现采用这种方法设计稳定性指标是合理的,装置的稳定性指标完全满足设计要求,该研究对主机装置稳定性指标的划分具有重要的参考意义。
参考文献:
[1] 王淦昌,袁之尚.惯性约束聚变[M].合肥:安徽教育出版社,1996:33-35.(Wang G C, Yuan Z S. Inertial confinement fusion. Hefei: AnhuiEducation Press,1996:33-35)
[2] 彭翰生,张小民,范滇元,等.高功率固体激光装置的发展与工程科学问题[J].中国工程科学,2001,3(3):1-8. (Peng H S, Zhang X M, FanD Y, et al. Status of high power solid state lasers and engineering science.Engineering Science,2001,3(3):1-8)
[3] 朱启华,张小民,景峰,等.多程放大系统总体光路的稳定性研究[J].强激光与粒子束,1999,11(2):653-656.(Zhu Q H, Zhang X M, JingF,et al. Study of the layout stability of multi-pass amplification system.High Power Laser and Particle Beams,1999,11(2):653-656)
[4] Murray J R. A tour of the proposed National Ignition Facility[J].Energy and Technology Review, 1994,(12):7-22.
[5] Sommer T C, Blis E S. Beam positioning[C]//Proc of SPIE.1999,3492:112-135.
[6] Trummer D J, Foley R J, Shaw G S. Stability of optical elements in the NIF target area building[C]//Proc of SPIE. 1999,3492:363-371.
[7] 师智全.大型固体激光装置光学元件结构稳定性分析研究[D].绵阳:中国工程物理研究院,2003:22-23.(Shi Z Q. Analysis and research ofoptical element stability in the large scale solid laser facility. Mianyang: China Academy of Engineering Physics, 2003:22-23)
[8] 杨菁.高功率固体激光装置的优化设计及综合评估方法研究[D].济南:山东大学,2005:66-68.(Yang J. Research on optimum design andcomprehensive evaluation method of high power solid-state laser.Jinan: Shandong University, 2005:66-68)
本文作者：张军伟, 周 海, 周 忆, 冯 斌, 王时龙, 林东晖, 景 峰
