无规位相板靶面均匀辐照光学系统研究

    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。