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ICF靶场激光指向精密控制技术研究

作　者: 姜振华
导　师: 吕志伟
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 物理电子学
关键词: 惯性约束聚变激光指向变形反射镜同轴标定指向控制
分类号: TN248.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

惯性约束聚变(ICF)大型激光装置需要将上百束高能脉冲激光精确引导并聚焦到靶点。这种激光装置通常采用与主光路激光(以下称主激光)严格同轴的连续模拟激光(以下称模拟光)进行光路准直、引导及聚焦调整,并利用光路中的电动光学器件以及远场探测器实现对激光指向的闭环控制。靶场激光指向精度是实现精确打靶的重要指标之一,目前主激光与模拟光之间的同轴度、激光光束指向的调整量是两个主要误差来源。针对这两种误差来源,本文首次提出了一种在靶点处标定主激光与模拟光同轴度的方法和一种利用变形反射镜控制激光光束指向的方法,并进行了相应的理论分析与实验验证。本文所研究成果解决了从激光大厅中发出的主激光与模拟光之间的同轴度不高以及通过电动反射镜架控制的靶场激光光束指向的调整量较大的两个问题,提高了靶场激光指向精度。本文首先综述了国内外惯性约束聚变(ICF)大型激光装置的研究发展现状、大型激光装置靶场指向精密控制系统的概况和激光指向控制中相关光学元件的研究进展。结合光线追迹理论,通过数学仿真,建立了ICF靶场光学系统的简化光路模型,模拟实际光线在靶场中传播,找出光束指向的变化规律,实现对靶场光学系统中光束的指向控制计算,从而为指向控制提供理论支持。利用ICF靶场光学系统的简化光路模型的计算结果,对靶点处标定主激光与模拟光同轴度的方法进行分析。为了消除标定过程中投射到CCD像面上的杂散光影响标定精度,结合靶场光学系统实际设计,给出了三种不同可替换滤光片放置位置的两束激光同轴的远场标定方法,并比较了不同方法的优缺点。基于变形反射镜实现波前重构的两种常用方法,分别针对有波前畸变光束和无波前畸变光束的指向控制需求,对利用变形反射镜控制激光指向的方法进行了理论推导,并讨论了可实现指向精密控制的变形反射镜优化设计方案。最后,本文设计了一套实验装置,在实验室范围内进行了两束激光同轴标定方法和激光光束指向控制方法的验证性实验,并对实验结果予以分析,很好的证明了这两种方法的可行性。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第1章绪论  9-21
  1.1 论文研究背景和意义  9-10
  1.2 国内外的研究现状  10-19
    1.2.1 惯性约束聚变和高能高功率激光系统的研究发展概况  10-13
    1.2.2 大型激光装置靶场指向精密控制系统发展现状  13-14
    1.2.3 激光指向控制系统相关光学元件的发展现状  14-19
  1.3 本文研究内容和结构安排  19-21
第2章靶场激光束传输简化仿真模型的建立  21-33
  2.1 引言  21
  2.2 光线追迹的基本理论  21-22
  2.3 ICF 靶场光学系统简化仿真模型的建立  22-31
    2.3.1 光束模型的建立  23-24
    2.3.2 反射镜模型的建立  24-25
    2.3.3 楔形透镜仿真模型的建立  25-28
    2.3.4 滤光片模型的建立  28-30
    2.3.5 靶场光学特性分析  30-31
  2.4 本章小结  31-33
第3章两束激光同轴的远场标定方法研究  33-46
  3.1 引言  33
  3.2 针对不同滤光片位置的设计方法分析  33-40
    3.2.1 滤光片置于电动反射镜与楔形透镜之间  35-37
    3.2.2 滤光片置于楔形透镜后  37-38
    3.2.3 滤光片置于远场观测CCD 前  38-39
    3.2.4 三种方法的对比和分析  39-40
  3.3 同轴标定函数的研究  40-44
  3.4 本章小结  44-46
第4章激光光束指向控制技术研究  46-56
  4.1 引言  46
  4.2 利用变形反射镜实现波前重构的方法  46-49
    4.2.1 Zernike 模式法  46-48
    4.2.2 直接波前斜率法  48-49
  4.3 对无波前畸变激光的光束指向控制  49-51
  4.4 对有波前畸变激光的光束指向控制  51-53
  4.5 变形反射镜优化设计分析  53-54
  4.6 本章小结  54-56
第5章靶场激光指向精密控制实验研究  56-67
  5.1 引言  56
  5.2 两束激光同轴的远场标定的实验研究  56-61
    5.2.1 实验装置  56-57
    5.2.2 实验结果与分析  57-61
  5.3 激光光束指向控制的实验研究  61-65
    5.3.1 实验装置  61-63
    5.3.2 实验结果与分析  63-65
  5.4 本章小结  65-67
结论  67-68
参考文献  68-72
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  72-74
致谢  74

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