“神光-Ⅱ”升级三倍频精密诊断系统设计与三倍频焦斑初步分析

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以NIF为代表的新一代高功率激光驱动器设计，为突破色分离膜或光栅等元件对三倍频的输出通量限制，采用离轴透镜进行谐波分离，同时为减少三倍频段的B积分，将真空窗口移至三倍频系统之前，并采用模块化、紧凑型设计，提高了系统三倍频的输出通量以及系统的可维护性，但也增加了三倍频测量系统复杂性。在线测量时利用BSG取样光束测量能量和时间波形，但是光束近场和远场在线运行很难完善测量，主要依靠测量基频光束特性以及光学元件透射和反射波前特性，通过光束传输方程进行理论重构，为对三倍频系统输出能力进行准确评估以及传输算法验证、校核，需要特别设计三倍频精密诊断系统，用于三倍频近、远场以及其它特性测量。

国内的“神光-Ⅲ”“神光-Ⅱ”升级终端系统设计基本类似于NIF，因此都特别设计了三倍诊断系统，“神光-Ⅲ”主要采用单椭球反射面对远场成像，为避免小F数椭球面加工的困难以及完善成像的高要求限制，初步探索利用采用离轴三反卡塞格林系统实现了“神光-Ⅱ”升级装置三倍频近、远场诊断。

1  诊断系统的光学设计

主成像采用离轴三反卡塞格林望远系统，如图1所示，具体系统参数见表1。该系统不含非球面元件，利用凹球面主镜M1、次镜M3和凸球面次镜M2实现对有限远物面的轴上及其垂轴附近区域近衍射极限成像，并可基于刀口阴影法可快速实现精密调整，具有足够的近衍射极限成像孔径和成像视场，非常适合高功率激光三倍频远场测量。

表 1  离轴三反成像系统的参数

成像系统的物方F数约15，放大率约-1，设计优化过程中要求三球面曲率组合满足初级像差平场条件，以获得大的视场条件，本设计完善成像范围达到±10 mm，纵向成像景深约100 mm。由于成像曲面采用球面设计，具有完全的旋转对称性，成像镜的相对位置可由其球心表征，在保证通光口径的前提下，通过刀口仪就可保证成像质量，主要问题在于M2为凸面镜，其球心像需要通过匹配的凹面镜确定。

采用1 053 nm标准点光源标定成像品质达到1.6倍衍射极限(见图2)，像差主要来源于大口径反射镜面在竖直方向放置时重力象散，实测该系统在子午、弧矢面内拥有约±10 mrad的视场和轴向±100 mm内可实现近衍射极限成像，与椭球反射面相比，极大地放宽了成像容差。 

2  “神光-Ⅱ”升级装置的远场初步诊断

利用该系统对“神光-Ⅱ”升级第二路三倍频远场焦斑进行测试，其80%能量集中于15倍衍射极限(见图3)，剔除成像系统像差影响，80%能量集中于约12倍衍射极限范围内，60 GHz展宽光束SSD匀滑焦斑在100 μm滤波后，匀滑方向上的RMS值小于10%(见图4)，考虑成像系统的成像品质，理论模拟显示该成像系统品质因子对SSD焦斑的测量效果几乎不产生失真的影响。