应用于ICF等离子体诊断系统的长焦深光学元件设计

　　在惯性约束聚变(ICF)系统的打靶实验中,通常采用Thomson散射对靶场产生的激光等离子体的参数进行测量,以监测激光与靶的耦合效率。 为提高等离子体诊断的空间分辨率,精确测量不同等离子体区域的电子温度和离子漂移速度,要求将诊断光束聚焦成为长焦深、小焦斑且轴向光强均匀的光束,一般 的实验中Thom-son散射要求诊断光束焦斑直径小于100μm且焦深大于500μm。由于通常情况下增加焦深必然引起焦斑尺寸的扩大,采用普通透镜聚 焦无法满足等离子体诊断的要求。因此寻求同时满足焦斑大小和焦深要求的聚焦技术,是激光等离子体测量中一个亟待解决的难题[1]。

　　为了满足激光扫描、光刻、加工、光学成像和光学测量等特殊应用的需求,目前已经有几种能够实现长焦深的光学元件,如衍射光学元件[2]、折-衍 混合元件[3]、全息元件[4]和轴锥镜[5]等。折-衍混合元件的能量利用率较高,在一定程度上能增大焦深,但其范围有限,通常不超过普通透镜的10 倍。陈岩松[6]等人基于G-S算法[7]采用系列迭代算法设计出了一种能实现长焦深的衍射光学元件,该元件得到的聚焦光束焦深范围较大,模拟计算得到的 能量利用率和轴上光强均匀性都较好,但计算较复杂,且难以制作加工。孔雀眼波带片等全息元件[4]制作相对简单,但轴上光强和光场横向分布的均匀性都不 高,难以满足实际应用需要。

　　轴锥镜是McLeod[5]在1954年提出的一种可实现长焦深功能的光学元件。1987年Durnin[8]提出无衍射光束并利用轴锥镜等元 件从实验上得到了一种最简单的无衍射光束———0阶贝塞尔光束。之后,人们对轴锥镜的研究也更加深入和广泛,发展了多种轴锥镜[9-14],它的应用范围 也不断拓展[15-20]。线性轴锥镜是其中结构最简单的一种,它所产生的横向光斑大小均匀,轴上光强呈线性变化。1992年 J.Sochacki[10]等人采用追迹法设计了对数型轴锥镜,并且采用适当的切趾可以消除轴向光强局部振荡和改善横向光斑均匀性。衍射型轴锥镜是采用 变周期光栅来实现长焦深目的的一种光学元件,由于受高衍射级次的影响,其轴向光强均匀性和能量利用率均不高。

　　对ICF驱动器等离子体诊断系统而言,目前各种长焦深元件均有其自身的缺点和局限性,因此在设计时必须兼顾轴向光强均匀性、横向光斑大小、横向 旁瓣峰值和能量利用率等参量。本文针对ICF等离子体诊断要求,选用对数型轴锥镜,从理论上推导出该元件的相位分布,并采用边缘匀滑、中心切趾等优化方法 和选择合适的设计参数来改善其长焦深性能,从而得到了符合ICF高温等离子体诊断要求的长焦深元件,并进一步模拟分析了其性能。