高功率激光装置中终端光学系统的鬼像分析

　　0 引言

　　用于惯性约束聚变的高功率激光装置靶场系统是激光驱动器的终端，完成对注入的基频光实现三次谐波转换、光束的谐波分离、三倍频谐波取样测量以及聚焦打靶等物理过程[1]。通常利用非球面透镜对三倍频光实现良好聚焦， 而对于测量光的取样可有多种方法，如利用打靶透镜光束输出面的残余反射光反向传输并会聚实现取样等[1]。这类系统由于没有衍射元件，其杂散光分析相对简单，可以利用光线二叉树[2-3]捕捉全部有害光束。该方法自2002 年首次发表后，已成功应用于高功率激光系统等多种系统的杂散光分析中[4-5]。为了优化系统的结构， 美国的国家点火装置(NIF) 采用了一套集聚焦打靶和三次谐波取样为一体的系统作为终端光学系统(FOA)，以大口径衍射光栅作为三倍频光的取样光栅[6-9]。由于终端系统存在基频光、二倍频光和三倍频光， 根据三倍频光取样的要求所设计的衍射光栅对于这几种光都存在多级透射和多级反射，而其前后的常规元件也会存在残余反射，它们在通过衍射光栅时又会有多级透射和多级反射， 使这部分系统的杂散光非常复杂， 难以简单地使用光线二叉树来分析。

　　文中采用了基于光传输多叉树原理[10]的分析方法，可以在一棵光线树中表示出多级衍射和多次反射同时存在时的鬼光束传输路径，给出各级衍射光产生鬼像的位置，为系统优化设计和安全运行提供依据。

　　1 杂散光与鬼点分析原理

　　1.1 多级衍射与多次反射光的多叉树结构

　　衍射元件使一条入射光变成多条出射光，如果入射光作为父光线，则多条出射光为子光线，因而可以建立光线多叉树，如图1 所示。图中数字表示光学系统中的面号，设第4 面为衍射面，经过衍射面的光有0 级和±1级透射光以及0 级和±1 级反射光， 透射光入射于第5面会产生正常透射光和残余反射光，反射光回到第3 面也会产生透射光和残余反射光，从而得到复杂的光传输数据结构。当系统复杂时会占用大量的内存空间，不宜采用静态存储方式， 要在软件中动态地开辟空间来存放，并以递归方式实现多叉树的建立和周游。每当一条光线追迹完毕，立即周游多叉树进行数据处理，然后删除这棵树，释放内存空间，追迹下一条光线。如此反复追迹大量的光线，可找到鬼光束聚集的位置，即鬼点。

　　1.2 光线经色分离光栅的传播路径

　　色分离光栅的结构与一般刻划光栅不同，它是一种变周期光栅，由两束球心在不同位置的球面波干涉而成。可以利用光学设计软件Zemax 对其进行优化设计，获得物光和参考光的球面波参数。由聚焦透镜出射的会聚光入射于此光栅时，各级衍射光的传播路径由公式(1)决定：