神光Ⅱ升级装置终端光学组件的排布设计

　　1　引　言

　　神光Ⅱ升级装置(SG-Ⅱ-U)是为研究激光惯性约束核聚变(ICF)而建造的大型高功率激光装置,它包含了多个光学子系统,每个子系统都由若干光学元件组成;其中对传输激光起反射作用的称为反射式光学元件,起透射作用的称为透射式光学元件。透射式光学元件在使用中要镀增透膜,以保证激光通过它时有比较小的透射能量损耗。光学元件的增透膜在实际制作时并不能做到很完美,它对入射的激光通常情况下至少存在0.5%的反射,这些被透射式光学元件反射的剩余激光,如果在系统中的某些地方汇聚后形成激光焦点,就是通常所说的鬼像。

　　在高功率激光装置中,由光学元件产生的1阶鬼像具备的能量可以达到几十焦耳,能够打坏任意一块放在鬼像位置上的光学元件[1~4]。因此,回避鬼像是大型高功率激光装置靶场终端光学排布中要解决的一个重要问题。在美国的NIF国家点火激光装置中,包含192路靶场终端光学组件,共有1344块大口径光学元件,这些光学元件分布在半径约10 m的球形空间内,可产生300万(其中对光学元件有破坏力的鬼像有24000个)个4阶以上的鬼像[5]。可见,在非常有限的空间范围内回避掉所有有破坏力的鬼像,并把靶场终端光学组件排布好是一个令靶场设计人员头疼的问题,神光Ⅱ升级装置靶场终端光学组件的排布设计也是一项有挑战性的工作。

　　本文先给出神光Ⅱ升级装置靶场终端光学组件的作用、排布特点和设计时要解决的困难,然后研究排布靶场终端光学组件时要遵循的鬼像回避原则,最后优化鬼像控制设计并给出神光Ⅱ升级装置将采用的靶场终端光学排布方案。

　　2　终端光学组件的特点

　　高功率激光装置末级输出的激光在打靶时要先通过靶场的导光反射镜引导进入靶场终端光学组件,然后经终端光学组件中的打靶透镜汇集于真空靶室进行打靶,其间终端光学组件起到的最基本作用就是密封真空和激光会聚。

　　靶场终端光学组件中包含的光学元件种类与高功率激光器件的能量输出密切相关;在单路激光输出能量较低的情况下,谐波转换元件(即倍频、三倍频晶体)通常置于靶场最后一块反射镜前面,通过对最后一块反射镜的膜层设计,分离出剩余没有转换的基频、二倍频激光以及少量的三倍频激光,作为测试信号使用,导入靶室的只有三倍频激光(如现有的神光Ⅱ激光装置)。在这种情况下,终端光学组件通常包括起密封作用的靶室窗口、打靶透镜和保护打靶透镜的防溅射板,如图1所示。

　　图1所示终端光学组件的光学元件种类较少,产生的鬼像数目就会相应地减少,并且一般情况下其光学元件的排布空间都很宽敞,终端光学元件的排布设计不是一件非常困难的事情。