激光原型装置结构稳定性指标划分理论及检测

　　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]。