光电工程  2018, Vol. 45 Issue (3): 180049      DOI: 10.12086/oee.2018.180049     
“神光-Ⅲ”主机装置的自适应光学波前校正系统
杨泽平1,2,3 , 李恩德1,2 , 张小军1,2 , 凡木文1,2 , 施宁平1,2 , 魏凌1,2 , 龙国云1,2     
1. 中国科学院自适应光学重点实验室,四川 成都 610209;
2. 中国科学院光电技术研究所,四川 成都 610209;
3. 中国科学院大学,北京 100049
摘要:本文介绍了为“神光-Ⅲ”主机装置研制的五十套工程化自适应光学系统,包括系统技术方案,基于可拆卸技术的大口径变形镜和具有自动对准功能的哈特曼波前传感器两主要部件的性能,测量并分析了波前特性,系统校正结果表明:自适应光学系统改善了主机装置的光束质量,满足10倍衍射极限范围内激光能量大于95%的指标要求,确保“神光-Ⅲ”主机装置激光在主放大系统内的传输顺畅。
关键词神光-Ⅲ    自适应光学    波前校正    
Adaptive optics correction systems on Shen Guang Ⅲ facility
Yang Zeping1,2,3, Li Ende1,2, Zhang Xiaojun1,2, Fan Muwen1,2, Shi Ningping1,2, Wei Ling1,2, Long Guoyun1,2     
1. Key Laboratory of Adaptive Optics, Chinese Academy of Science, Chengdu, Sichuan 610209, China;
2. Institute of Optics and Electronics, Chinese Academy of Science, Chengdu, Sichuan 610209, China;
3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: The fifty engineered-manufacture adaptive optics systems developed for the Shen Guang Ⅲ (SGⅢ) facility, are introduced in this paper. The system technical scheme, together with the key components – the dismountable large aperture deformed mirror and the auto-alignment Shack-Hartmann wavefront sensor, are presented. The characteristic of the wavefront is measured and analyzed. The result of system correction shows that the adaptive optics systems improved the beam quantity of the SGⅢ facility, meet the requirement that the laser beam energy is higher than 95% in the 10-time diffraction limit zone, and ensured the laser transmission in the main amplification system of the SGⅢ facility.
Keywords: Shen Guang Ⅲ (SGⅢ) facility    adaptive optics    wavefront correction    

1 引言

在惯性约束聚变(inertial confinement fusion, ICF)高功率固体激光装置中,系统的静态波前畸变和动态相位变化是导致光束质量下降的两方面原因。其中静态波前畸变主要来源于大口径光学元件的加工误差、材料的非均匀性等缺陷以及光学装校过程带来的元件面形变化等;动态波前畸变主要来源于激光泵浦过程中光学元件的热变形和工作环境所带来的畸变。激光光束质量的下降给ICF激光系统带来光束聚焦特性下降、等离子体堵孔和三倍频效率下降等问题。

自适应光学技术这样的主动波前控制手段才是解决ICF激光系统中光束质量问题的根本途径。在世界各国的ICF激光装置中,自适应光学系统已经成为这些系统的基本组成部分。在美国国家点火装置(NIF)[1-2]中,采用了一块400 mm×400 mm的大口径变形镜来控制光束质量;在OMEGA EP[3]装置中,采用了两块400 mm×400 mm的大口径变形镜来控制激光波前;而在日本的GEKKO Ⅻ[4]中,则采用了两块小口径变形镜和一块大口径变形镜来对系统中的波前分段进行精密控制。

国内,中国科学院光电技术研究所于1985年在世界上首次将自适应光学技术用于ICF驱动器的波前控制,在“神光-Ⅰ”系统上建立了基于19单元变形镜和远场焦斑优化控制技术(高频振动爬山法)的自适应光学系统[5],将激光器输出光束远场峰值能量提高了3倍,被称之为“中国方法”。从1999年开始,在“神光-Ⅲ”原型装置的多程放大系统研制了一套基于近场相位控制技术的自适应光学系统,用于ICF激光装置上波前控制技术的原理性研究,该系统采用了一块45单元的、75 mm×75 mm的变形镜,用哈特曼传感器作为波前探测器件,将系统的像差由13.79 μm校正到了2.87 μm,实现了超过10 μm的波前校正[6-9];在随后的“神光-Ⅲ”原型装置上建立了8套小规模工程化自适应光学系统,每套自适应光学系统包括一块最大通光口径为80 mm×80 mm的45单元变形镜和一台22×22的微透镜阵列,动态范围为不小于±5 μm的哈特曼波前传感器。实现了到靶点的全系统静态像差校正,改善了靶点焦斑能量分布,并首次验证了校正对打平面靶时X射线分布的改善效果[10-12]

本文报道了“神光-Ⅲ”主机装置中的50套工程化自适应光学系统、包括基于可拆卸变形镜技术研制的39单元大口径变形镜、具有自动对准功能的哈特曼波前传感器和全网络多路并行无人值守的控制组件的最新结果。

2 系统结构

“神光-Ⅲ”主机装置波前校正系统采用自适应光学波前控制技术,实现对装置主放大系统中静态波前畸变和主激光发射时由泵浦过程产生的动态波前畸变的校正。

在“神光-Ⅲ”原型装置中的自适应光学系统中,变形反射镜设置在主放大器入口处,口径比较小,工作时将校正全系统波前误差的校正量施加在变形镜上,激光在放大器中的传输过程中,逐步抵消放大器各个光学元件产生的波前误差,所以在放大器的初始段,光束带有较大的波前误差,在放大器中的空间滤波器小孔处的聚焦光斑比较大,容易受到遮挡,影响激光束完整地穿过小孔。为此,在本系统中将变形反射镜设置在主放大器的端镜处,激光在主放大器反射一次后,在放大器出口处,旋转90°再次返回放大器和端镜放大。在端镜处的变形反射镜经过两次反射,因此所需的校正行程可以减少,穿过空间滤波器小孔时的焦斑也相应缩小,有利于激光过孔,但需要更大口径的变形反射镜。

“神光-Ⅲ”主机装置共输出48束激光,每一束激光配置一套波前校正系统,每一套波前校正系统包括一套在腔镜位置的变形反射镜、在主放测量包内的一套哈特曼传感器、并配置相应的光、机、电组件,构成对48束激光波前闭环控制的波前校正系统。

自适应光学系统包含一块放置在腔镜位置的39个驱动单元的变形反射镜;一台位于参数诊断包PMU04内的哈特曼传感器。其中,变形镜与激光装置的入瞳位置成共轭关系,哈特曼传感器与变形镜成共轭关系。具体如图 1所示。

图 1 “神光-Ⅲ”主机装置自适应光学系统示意图 Fig. 1 Schematic of the adaptive optics system of Shen Guang Ⅲ facility
2.1 自适应光学系统

“神光-Ⅲ”主机装置自适应光学系统中采用了48套高精度面形、高损伤阈值的大口径变形反射镜。变形镜和哈特曼传感器之间的匹配关系如图 2所示。每块变形镜包括39个基于PZT的驱动器,驱动器有效工作行程为±5 μm,最大通光口径为360 mm×360 mm、校正工作口径320 mm×320 mm。哈特曼传感器包括了22×22的微透镜阵列,有效子孔径数为484个,动态范围为不小于15 μm。

图 2 变形镜和哈特曼传感器布局 Fig. 2 Layout of the deformable mirror and the Shack-Hartmann wavefront sensor

图 2为变形镜和哈特曼传感器布局和匹配关系,39个驱动单元呈正六边形分布在变形镜上,图中边缘处由内向外的三条分界线依次为320 mm×320 mm、340 mm×340 mm和360 mm×360 mm,对应于变形镜设计校正口径、最大校正口径和最大通光口径。图 3为对±4 μm前10阶和±1 μm第11至15阶Zernike像差的校正残差,均满足校正残差PV小于1 μm和RMS小于0.2 μm的系统需求。

图 3 变形镜拟合能力分析 Fig. 3 Analysis of the fitting ability of the deformable mirror
2.2 变形反射镜

变形镜依据哈特曼传感器提供的波前数据,在软件系统的控制和电气系统的驱动下产生系统所需要的面形,实现对装置中波前畸变的校正。“神光-Ⅲ”主机装置中波前校正系统的布局变形镜位于腔镜位置处,变形镜的实际最大通光口径为370 mm×370 mm,变形镜采用了39个驱动单元,呈正六边形分布于镜面上,驱动器间距为70 mm,变形量不小于±5 μm,采用可拆卸驱动器的技术提高生产效率、并增进可维护性,采用轻量化技术减少整个变形镜重量和体积。

图 4图 5分别是整个“神光-Ⅲ”主机装置的全部50套变形镜(备件2套)的初始面形(PV\RMS)和驱动器行程的统计图。其中图 4初始面形PV平均值0.67 μm,最大值0.9 μm,最小值0.47 μm,RMS平均值0.11 μm,最小值0.07 μm,最大值0.17 μm;图 5驱动器行程(PV)平均5.8 μm,最大值6.9 μm,最小值5.2 μm。

图 4 变形镜初始面形 Fig. 4 Static aberrations of the deformable mirrors

图 5 变形镜行程 Fig. 5 Stroke of the deformable mirrors

变形镜的PZT驱动器,在施加电压后,会有随时间的微量变形,影响校正效果。图 6持续加电时间1 h面形RMS变化的平均值0.13 μm,最大值0.19 μm,最小值0.05 μm,对校正效果影响不大。

图 6 变形镜持续加电1 h镜面面形变化 Fig. 6 The change of the static aberration of the deformable mirror 1 hour after adding voltages
2.3 哈特曼传感器

哈特曼传感器组件用于获取主放大系统的波前畸变,它由哈特曼传感器、电动衰减盘和四维自动对准模块组成。电动衰减盘把输入光能量衰减至哈特曼传感器所需要的正常工作范围;四维自动对准模块根据哈特曼传感器反馈的传感器与变形镜的对准状态数据,在波前校正系统需要的情况下,由软件控制自动完成对哈特曼传感器的四个自由度的调整(即沿XY轴方向的平移和偏转),实现哈特曼传感器和变形镜的自动对准,并保证系统的使用的方便性与灵活性。哈特曼传感器的最大通光口径为6 mm×6 mm,在全口径上采样阵列可用的最大子孔径数为24×24。哈特曼传感器的动态范围大于16 μm,其测量精度(RMS)高于0.1 μm。

图 7图 8分别是整个“神光-Ⅲ”主机装置的全部50套哈特曼波前传感器(包括备件2套)的测量精度(RMS)和测量动态范围(PV)的统计图。其中图 7测量精度(RMS)平均值0.02 μm,最大值0.05 μm,最小值0.005 μm;图 8测量动态范围(PV)平均值21.7 μm,最大值24 μm,最小值20.3 μm。

图 7 哈特曼测量精度 Fig. 7 Accuracy of the Shack-Hartmann wavefront sensors

图 8 哈特曼测量动态范围 Fig. 8 Dynamic range of the Shack-Hartmann wavefront sensors
3 波前控制系统方案

“神光-Ⅲ”主机装置主放大系统,采用“腔内四程+助推三程”的多程放大技术方案。波前校正系统通过对激光的静态波前和动态波前的校正,确保激光在主放大系统内的传输顺畅,改善主放大系统输出光束质量,同时缩短装置的发射周期,提高装置的运行效率。

每一束激光在腔镜位置配置一套变形镜、在主放测量包内配置一套哈特曼传感器构成一套波前校正系统。

在系统控制方面,采用客户/服务器基本架构,并将电气控制组件和控制管理软件分层管理实现与装置的硬件对接以及软件对接集成。系统中变形镜组件、波前传感器组件和电气组件全部网络化,整个波前校正系统可单路波前校正、分束组波前校正或任意自由组合的波前校正。既能实现本地控制,也能远程集中控制。

ICF系统中需要校正的波前误差除了各级放大系统的静态误差,还有出光脉冲瞬间的热效应引起的动态误差,这种误差不可能实时闭环校正,但其大小与主激光的输出能量相关。波前校正系统采用双程波前闭环校正的控制模式,首先以标定光源作为信标光,对主放大器的双程静态波前畸变进行测量和闭环校正,记录静态闭环控制电压;其次利用哈特曼波前传感器测量主激光在不同能量输出时的动态波前,分析动态波前数据并借助变形镜传递函数离线拟合得到动态波前开环控制电压;最后叠加开环控制电压和静态闭环电压实现对装置的动态、静态波前校正。

图 9显示了“神光-Ⅲ”主机装置上典型的波前。

图 9 部分“神光-Ⅲ”主机装置输出光束波前 Fig. 9 Samples of the wavefront of the Shen Guang Ⅲ facility

统计上看,装置上典型的综合波前水平在5λ附近;进一步分析表明,波前畸变的像差构成中,除了离焦之外,主要表现为口径边角处较为明显的波前变化,以像散为主要特征。图 10显示了A1束组8束激光波前的像差构成。由图可知,“神光-Ⅲ”主机装置中的波前像差主要分布在4阶Zernike像差(前15项)以内,除了第4项(离焦)外,第5、6项(像散)占据了主要部分,其余主要分布在彗差上。

图 10 “神光-Ⅲ”主机装置A1束组8束激光波前像差模式分解 Fig. 10 Zernike mode decomposition of the laser beams in A1 of the Shen Guang Ⅲ facility
4 系统校正典型结果

自适应光学校正前后,“神光-Ⅲ”主机装置上典型的波前及其远场光斑分布见图 11。计算结果表明,通过校正,像差均得到有效的校正,满足系统的能量集中度要求(95%@10DL)。

图 11 “神光-Ⅲ”主机装置校正前后的波前及其远场光斑。(a)开环:PV=9.6 μm, RMS=2.27 μm, beta(95%): 30.1, beta(DL): 23.2;(b)闭环:PV=0.7 μm, RMS=0.11 μm, beta(95%) :6.6, beta(DL): 2.5 Fig. 11 Wavefront and far-field spots of the Shen Guang Ⅲ facility before and after correction. (a) Open-loop:PV=9.6 μm, RMS=2.27 μm, beta(95%): 30.1, beta(DL): 23.2; (b) Close-loop:PV=0.7 μm, RMS=0.11 μm, beta(95%): 6.6, beta(DL):2.5
5 结论

本文介绍了为“神光-Ⅲ”主机装置研制的五十套工程化自适应光学系统,包括基于可拆卸技术的通光口径大于370 mm×370 mm、初始面形(PV)小于0.9 μm、驱动器行程(PV)大于±5.8 μm以及持续加电时间1 h面形RMS变化小于0.13 μm的大口径变形镜和具有自动对准功能的测量精度(RMS)优于0.02 μm、测量动态范围(PV)大于21.7 μm哈特曼波前传感器。

采用双程波前闭环校正的控制模式实现全装置的像差校正,结果表明自适应光学系统改善了主放大系统输出光束质量(95%@10DL),确保“神光-Ⅲ”主机装置激光在主放大系统内的传输顺畅。

致谢

感谢中国工程物理研究院激光聚变研究中心胡东霞研究员、代万俊副研、王德恩副研、薛峤助研等同志在项目实施过程中提供的支持与密切配合。

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