激光束低频畸变波前模型的计算模拟[1]

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1、第12卷增刊强激光与粒子束Vol.12,No.s12000年11月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSNov.,2000文章编号:1001—4322(2000)s1—0163—04X激光束低频畸变波前模型的计算模拟122211粟敬钦,魏晓峰,马驰,袁静,高福华,郭永康(1.四川大学物理系,四川成都610064;2.中国工程物理研究院高温高密度等离子体物理国家重点实验室,四川绵阳919-988信箱621900)摘要:在分析强激光束低频位相噪声特点的基础上,采用位相均方根梯度表征激光束的低频位相噪声并结合随机位相屏构

2、建相应的畸变波前模型。通过模拟计算,给出低频位相噪声的均方根梯度与聚焦光斑尺寸的初步规律。关键词:激光焦斑;随机位相屏;均方根梯度;位相噪声中图分类号:TN241文献标识码:A在激光惯性约束聚变中,为获得高功率密度的激光以及保证靶腔内高温,同时为防止等离子体堵[1]口,保证激光能量的高效注入,物理实验对聚焦光斑的尺寸以及其功率密度分布提出了严格的要求。因此,为获得物理实验所需的聚焦光斑,对影响强激光光束质量的各种物理原因进行仔细研究是十分必要的。[2]在影响强激光束质量的众多因素中,激光束所经过的各种光学元件的质量是其中主要因素之一。本

3、文采用位相均方根梯度(RMSphasegradient)描述光学元件引入的低频段噪声,通过建立合理的畸变波前模型,模拟计算了激光焦斑分布。初步给出光学元件引入的低频段位相噪声与光束聚焦特性的一般规律。1基本理论1.1低频位相噪声的特点[3]根据LLNL研究表明,在光束传播过程中,光束的波前畸变主要是由于引入的位相噪声所决定。在频域空间中,可将其分为高频噪声和低频噪声。低频位相噪声具有较大的菲涅尔数,衍射效应弱,在光束传输过程中,其仍以位相形式存在而不会影响光束振幅的分布。故系统内各种低频位相噪声具有非相干叠加的特点,即满足RSS(roo

4、t2sum2squared)叠加规律。2W=(∑wi)(1)上式中,wi表示单个元件引入的低频位相噪声,W表示总的低频位相噪声。因此,在分析光学元件引入的位相噪声对光束质量的影响时,不必分别对每个光学元件作单独光传输计算,只需通过非相干叠加得到光束在整个传输过程中总的光学元件引入的低频位相噪声,再进行分析。1.2位相均方根梯度的引入设位相函数为U(x,y),沿x方向和y方向的位相梯度函数gx(x,y),gy(x,y)定义为位相函数对x和y的一阶偏微分55gx(x,y)=U(x,y),gy(x,y)=U(x,y)(2)5x5y22令g(x

5、,y)=gx(x,y)+gy(x,y)(3)则称g(x,y)的均方根为位相均方根梯度。从几何光学观点来看,光线的传播方向沿波前的法线方向,位相面的梯度决定了光束的传播方向,X收稿日期:2000209206;修订日期:2000211214基金项目:国家863惯性约束聚变领域资助课题;中国工程物理研究院预研基金资助项目作者简介:粟敬钦(19732),男,贵州锦屏人,博士研究生,主要研究方向为二元光学在高功率激光系统中的应用。164强激光与粒子束第12卷因此,在一定的聚焦条件下,光束聚焦后的焦斑分布取决于聚焦透镜前输入面位相的的梯度分布。较之

6、其它表征低频位相噪声的参数(如P2V值,Zernike多项式等),位相的均方根梯度更反映光传输的物理实质。1.3畸变波前模型的建立根据1.1的分析,我们可将光学元件的低频位相噪声简化为一随机位相屏来处理。该位相屏具有低[4]频位相噪声的特点。可用下式实现x2y2U(x,y)=random(-1,1)3exp-()+()(4)SgSgxy其中,random(-1,1)为在-1到1之间均匀分布的随机数序列,“3”表示卷积,Sg和Sg分别是x方向xy和y方向上决定位相噪声空间起伏的参数,不同的Sg,可产生不同空间起伏的位相噪声,该参数与位相屏

7、的自相关函数有关。不同的光学元件,Sg的取值范围也各不相同,该值可根据低频位相噪声的位相均[4]方根梯度的统计分布规律来确定。采用适当的比例因子对位相屏进行缩放,即可获得不同均方根梯度的位相屏。2模拟计算2.1随机位相屏的模拟根据(4)式,模拟计算得到的一维随机位相屏如图1所示,其尺寸为30cm×30cm,均方根梯度011waveöcm,Sg和Sg均取8cm。图2为图1所示随机位相屏的位相梯度分布,从图可见其分布近似满xy[4]足高斯分布,与美国LLNL实验室的实测结果相符合(见图3),可知采用(4)式实现随机位相屏是合理的。Fig.1

8、TypicalrandomphasescreenFig.2Phasegradientdistributionofrandomphasescreen图1随机位相屏图2位相屏的位相梯度分布2.2聚焦光斑的模拟计