呢? 国际期刊的光学 1687 - 9392 1687 - 9384 Hindawi 10.1155 / 2021/6655866 6655866 研究文章 设计和管理的杂散光紧凑最终光学装配高能激光器系统 https://orcid.org/0000 - 0002 - 5746 - 9534 朱 Deyan 1 2 陈 杨 1 2 李 平 3 冯 本 3 https://orcid.org/0000 - 0001 - 9492 - 7154 庞 Yajun 4 5 白 Zhenao 1 南京航空航天大学 南京 江苏210016年 中国 nuaa.edu.cn 2 重点实验室的空间光电探测和感知 工业和信息化部 南京航空航天大学 南京211106 中国 miit.gov.cn 3 激光聚变研究中心 中国工程物理研究院 绵阳 四川621900 中国 caep.ac.cn 4 先进的激光技术中心 河北科技大学 天津300401 中国 hebut.edu.cn 5 河北省重点实验室先进的激光技术和设备 天津300401 中国 2021年 15 2 2021年 2021年 15 12 2020年 19 1 2021年 28 1 2021年 15 2 2021年 2021年 版权©2021 Deyan朱et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

在这项研究中,提出了一个模型来设计和管理一个紧凑的杂散光最终光学装配(失落)高能激光器系统。基于我们提出的方法,可以将高阶杂散光设法优化光学元素的位置和角度。光陷阱旨在管理一阶高的杂散光的影响。应用该方法,我们提供了一个演示实验设计一个紧凑的失落。通过比较清洁的结果没有管理测试结果,证明使用上面的设计和管理,它可以实现的改进清洁从ISO类5类3,这是显著改善高能激光系统的输出能力。此外,我们还验证了杂散光的光场。它表明,杂散光的领域特征和位置计算是可靠的。

 南京航空航天大学 工业和信息化部的中华人民共和国 北京控制工程研究所 1。介绍

最后光学装配(失落)是高功率激光设备的最后阶段,具有最高的激光能量。它由频率水晶、聚焦透镜、真空窗口,和其他昂贵的透射光元素( 1- - - - - - 3]。残余反射的光学表面能产生杂散光。当杂散光的影响强的光学组件和终端的结构部分,成千上万的污染粒子将被添加到光学系统,这将减少光的生命周期元素和限制激光系统的输出能量( 4- - - - - - 6]。因此,它成为一个重要的问题在避免杂散光的恶化的紧凑的失落失落的清洁的环境系统设计的高功率激光系统,这是重要的提高系统输出能量和激光系统的安全运行。失落的设计方案决定了高功率激光输出能力的限制因素( 7- - - - - - 9]。

国家点火装置(NIF)由192个频道,失落,这是一个紧凑的安排在大气室环境中,杂散光分布密集和复杂。自1994年以来,它花了9年时间来完成工程设计( 10- - - - - - 12]。第一个集成验证beamlet光元素都造成了严重的损伤。失落,因此设置为10托之间的清洁干燥的空气保持1 w窗口和GDS。失落的第二个集成验证进行了2006年,仍然暴露出很多问题。系统的总体设计完成于2007年。然而,终端污染由于杂散光和严重损坏光学元素仍然是2017年报告( 7- - - - - - 10]。

由于小水晶的聚焦透镜的距离紧凑,失落的杂散光相互作用越来越复杂( 13]。其中,高阶杂散光的影响(反映两次或更多次)很低。有必要避免高阶杂散光聚焦光学组件和结构部分通过控制距离和角度的真空窗口和盾牌。一阶(单一反射)杂散光影响高的特点。特殊的吸收应该设计通过控制距离聚焦透镜的基本频率窗口( 14- - - - - - 16]。

在这项研究中,我们提出一个模型来设计和管理的杂散光紧凑的高能激光器系统上的失落。梁的优化设计方法提出了陷阱。梁的杂散光势必陷阱,不污染和终端系统吸收玻璃。此外,我们完成实验,结果表明,可以实现失落紧凑的改进清洁从ISO类5类3,和杂散光的领域特征和位置的计算是可靠的。

 2。失落的设计紧凑 2.1。紧凑的失落的基本原则

与单独的失落,失落紧凑有四个特点。首先,真空窗的厚度是有效控制,调制和真空爆炸的风险相对较低。其次,系统的总长度必须尽量缩短由于组件在大气环境下工作,以及系统设计的自由度大大降低。第三,所有污染源,尤其是杂散光,必须严格控制由于大气环境导致没有有效的辅助清洗系统中控制措施,可以添加。最后,变频和焦点透镜之间的距离很小,这使得杂散光相声。失落的紧凑的光学配置,示意图如图所示 1,旨在与尽可能少的组件交付所需的功能。

失落的光学配置紧凑的示意图。弗拉分开大间距从水晶WFL减少杂散光的相声和集中杂散光。此外,它把晶体和大气延迟WFL化学膜降解有机物和最小化的气体释放。然而,真空窗口的损伤和裂纹的风险大幅增加分离的失落。避免失落紧凑型真空窗开裂的风险,但小水晶的聚焦透镜的距离使它更难杂散光的优化设计和管理。

1.053 μ米从主激光光束通过熔融石英窗口进入包(1 w窗口)。光学组件之间的1 w窗口和真空窗口安装10托的清洁干燥的空气,分开的氩气环境光束传输系统由1 w窗口和目标的努力真空室由一个2.0厘米厚真空窗口。终端光学元素排列沿纵向方向。在一个紧凑的距离范围内,有八个光学元素,它被放置在两个模块:变频模块和聚焦模块。变频模块是由1 w窗口和晶体(宋惠乔THG, PS)。由聚焦透镜聚焦模块是由真空窗口和盾牌。两点必须保证在设计。首先,一阶杂散光反映在聚焦透镜背后的光元素并不与变频交互。第二,一阶结杂散光不采取行动,而一阶杂散光的影响从聚焦透镜本身的光学频率转换的元素是可以接受的。

因此,设计和管理的逻辑如下:失落杂散光的独立

光元素的间距在聚焦模块进行优化,以确保高阶杂散光可以控制

变频和聚焦模块之间的距离进行了优化,以确保聚焦透镜的一阶杂散光可以控制

的角度聚焦模块优化,确保一阶杂散光的聚焦透镜后的光学元件偏离光学路径,可以吸收

梁的优化设计陷阱确保高通量阶杂散光可以控制

2.2。杂散光的设计和管理

杂散光是不必要的辐射,通常需要散射光的形式,热辐射或镜面反射(鬼反射)从名义上递送的表面。在高功率激光系统中,杂散光的行为可以是系统操作的关键。紧凑的弗拉小间距从水晶WFL增加了杂散光的相声和集中管理的杂散光。它使一阶虚反射杂散光的影响高于吸收玻璃的损伤阈值。灾难性故障的光学组件和金属结构已发生了杂散光与其他激光系统,会导致失控的损伤会导致系统性能差和/或可怜的可靠性和可用性。如何管理杂散光,避免产生污染的失落是分离的核心问题。

2.2.1。杂散光的设计和管理原则

针对高阶复杂分布的杂散光,失落在紧凑型杂散光的光学特性进行了理论分析,建立了杂散光分析模型,如图 2。

杂散光的光学特性的计算模型。

发出的光束从同一位置是由多个表面反射的光学系统中的元素。上的杂散光的行为 P点在一起,光场可以表示如下: (1) E p = E 1 t + E 2 t + τ , 我 P = 1 T ∫ 0 T E p t ⋅ E P ∗ ⋅ d t , (2) 我 P = 我 1 + 我 2 + 2 我 1 我 2 再保险 γ 12 τ , γ 12 = γ 12 τ ⋅ e 我 ϕ 12 , 我 P = 我 1 + 我 2 + 2 我 1 我 2 γ 12 τ ⋅ 因为 ϕ , 在哪里 E 代表光场的波函数。 我 代表光强度, τ 代表之间的时差两束到达点 P。多个反射表面反射叠加后会影响在同一位置由于强激光的相干方程( 2)。仿真结果如图所示 3。

杂散光的光学特性的计算结果显示(a)杂散光的叠加两个反射镜和(b)杂散光的叠加四反射镜。从多个反射镜将产生杂散光干扰调制,并干扰调制的最大订单是4次。因此,杂散光的影响分析和控制设计、调制系数,应该乘以其强度。最大影响的评估可以在最大调制系数乘以4。

 2.2.2。设计和管理高阶杂散光

高阶杂散光,建立了设计模型,如图 4。

高阶杂散光的模型。

首先,每个平面光学元件上的光反射聚焦模块,然后,通过前面两次反射聚焦透镜的表面。第二次反射后,重点是远离DDS。三次反射后,重点是在两个元素之间的聚焦模块或远离聚焦模块。保持高阶杂散光远离组件和结构部件,必须设计如下所示的距离。 (3) d 1 + d 2 + d 3 ≤ f 6 , 3 d 1 ≤ f 6 , 3 d 1 + 2 d 2 ≥ f 6 , 2 d 1 + d 2 ≤ f 3 , 3 d 1 + d 2 + d 3 ≥ f 6 , 2 d 1 + 3 d 2 + 3 d 3 ≥ f 6 。

根据方程( 3),最优数值解的聚焦透镜背后的光学元件间距得到如下。 (4) d 1 = f 20. , d 2 = f 40 , d 3 = f 120年 。

对于每个系统中的反射器,反射定理用于分析每个离散光的反射光通过多个反射镜。同时,所有光束焦点通量大于0.1 J /厘米2在系统中显示,杂散光的路径集中推导出根据焦点搜索。分析结果如图所示 5。

高阶杂散光的结果。

从图可以看出 5杂散光的焦点是远离光元素和结构部件。没有三阶或高阶系统中杂散光的焦点。只有二阶杂散光是由DDS反射和WFL反射。二阶杂散光的焦点是接近真空靶室,失落没有影响。系统的高阶杂散光控制是有效的。

 2.2.3。一阶杂散光的设计和管理

一阶杂散光,建立了设计模型,如图 6。

一阶杂散光的模型。

的 d4确保一阶反射的杂散光的焦点首先聚焦透镜表面的频率转换和聚焦模块。同时,西南一阶杂散光的孔径和PS应大于10厘米的优化 d5。以确保一阶杂散光的焦点之间的聚焦透镜位于极化平滑水晶和聚焦透镜,必须设计如下所示的距离。 (5) d 4 = f 5 , d 5 = f 10 。

控制图的一阶杂散光的聚焦透镜图所示 7。

一阶杂散光的结果用WFL才能体现。一阶杂散光的焦点聚焦透镜位于变频模块和聚焦模块之间,远离光元素和结构部件。

考虑到元素的透光率降低和后的反射率增加设备已经运行了一段时间,最坏的情况下的反射率为2%。输入的能量是4000 J,光束孔径是360毫米;基频的影响估计窗口所示方程( 6)和极化晶体的影响估计方程(所示 7)。 (6) F 西南 = 4000年 J 20. 厘米 × 20. 厘米 × 2 % = 0.2 J / 厘米 2 , (7) F PS = 4000年 J 10 厘米 × 10 厘米 × 2 % = 0.8 J / 厘米 2 。

从公式可以看出( 6)和( 7),一阶杂散光不作用于结构部分,在光学元件和杂散光的影响小于1 J /厘米2。这是可以接受的一阶杂散光聚焦镜头的控制是有效的。

的一阶杂散光真空窗口如图 8。

大众的一阶反射杂散光。

吸收玻璃设置最大孔径的杂散光束偏离主光路,和杂散光的影响吸收玻璃可以计算如下: (8) F 护甲 = 4000年 J 20. 厘米 × 20. 厘米 × 6 × 2 % = 1。2 J / 厘米 2 。

因为高影响吸收玻璃可能产生污染物。

 3所示。实验的紧凑的失落

验证一阶杂散光的影响的清洁系统,吸收玻璃是在实验室放置在清洁的环境。351纳米脉冲激光的输出影响1 J /厘米2被用来直接作用于AB5玻璃(吸收玻璃)。同时,吸收玻璃附近的一个放置粒子计数器测量粒子的最大浓度极限大于0.1 μm(每立方米空气粒子),观察清洁系统的变化,并计算粒子的最大浓度极限后9激光操作。结果如图所示 9。

生成的粒子数与351 nm脉冲吸收玻璃1 J /厘米2。的作用下1 J /厘米2吸收玻璃的杂散光,粒子数大于0.1 μ100000将恶化。

添加硅玻璃在吸收前玻璃。同时,一双优化玻璃组合用于反复吸收和处理一阶杂散光,以确保一阶杂散光不逃离熔凝石英和AB5玻璃组成的陷阱。具体设计见图 10。

设计杂散光的陷阱。对吸收器形式的杂散光陷阱。其中,第一个吸收器需要形成一个近30°角与事件杂散光,以确保第二吸收体的位置可以尽可能接近第一吸收体。同时,靠近法线方向的光进入第二吸收体然后反射回到第一个吸收器。

梁附近的粒子计数器放置陷阱的351海里脉冲激光作用下1 J /厘米2。粒子的最大浓度极限大于0.1 μ(数量的空气粒子/ m3)是由粒子计数器测量和清洁变化是观察。结果如图所示 11。

粒子数与351 nm脉冲产生的杂散光陷阱1 J /厘米2。使用熔融和AB5使粒子数大于0.1 μm变化到1000年的水平(ISO类3)即使1 J / cm的杂散光2行为,和杂散光的控制系统是有效的。

验证杂散光的光场特性和位置计算的可靠性,现场图纸添加在熔融石英观察领域行动后的图4 J /厘米波长351纳米的激光2,如图 12。

光场的结果。

从图可以看出 12杂散光存在在绘画领域的位置,和杂散光的干扰调制现象。杂散光的计算光学性质和位置是可靠的。

 4所示。总结

失落是一种重要的高功率激光系统的子系统,它提供了最后一个阶段为激光光束控制beam-target耦合,实现谐波转换,光束聚焦,碎片保护等功能。更重要的事情是保持系统清洁环境,减缓组件的破坏速度,并确保高吞吐量和系统的稳定运行。在这项研究中,我们提出一种模型来设计和管理的杂散光。与我们提出的方法,高阶和一阶杂散光可以同时管理。这也是从实际的实验结果证明了我们的方法可以获得高的清洁。现在我们得出结论,我们的方法可以帮助完成杂散光的紧凑的设计和管理系统。

 数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

 的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

 确认

这项工作是支持的重点实验室开放项目资金的空间光电探测和感知(南京航空航天大学),工业和信息化部、工业和信息技术和实验室的空间光电测量和智能(北京控制工程研究所)。

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