高能激光远场焦斑高精度诊断关键技术研究

Inertial confinement fusion (ICF) is major forefront research areas in the world today, it has a very important scientific significance and application value in all these respects, such as science and technology for national defense and future energy development. Far field distribution of high power laser is the most important performance parameter for ICF system. How to diagnostic laser focal spot precisely is of great significance for performance evaluation and actual operation quality of ICF system. For traditional laser focal spot diagnosis, there are many error sources, which affect the measurement accuracy, so exploring more accurate diagnostic tools of laser focal spot is an urgent problem which need to be solved. This project innovatively proposed the techniques of high precision real-time focal spot diagnosis for high power laser, which based on the method of computer-generated holography and phase retrieve, solved the fundamental theory and key device design problems, lab table of far field laser focal spot diagnosis has designed and built. Master the technology is better enhanced the system performance of ICF, and lay a solid foundation for catching up with the world advanced level. Also, it can meet the needs of China's national defense, scientific research and national economic development.

惯性约束聚变（ICF）属当今国际上的重大前沿基础科研领域，对国防科技和未来能源开发有着极为重要的科学意义和应用价值。激光远场焦斑能量分布是ICF系统中表征激光束进洞能力的主要参数。如何高精度诊断激光远场焦斑对ICF系统整体性能评估及实际运转具有十分重大的指导意义。传统的激光远场焦斑诊断方法存在诸多影响测量精度的误差源，探索新的更高精度的激光远场焦斑诊断手段是迫切需要解决的问题。本项目创新性的提出基于计算全息术和相位恢复法的高能激光远场焦斑高精度诊断技术，并解决技术工程化过程中急需解决的基础理论问题和关键器件的设计，设计并搭建了激光远场焦斑诊断原理性实验验证平台。掌握此技术对我国ICF系统性能的提升，为在本领域赶超世界先进水平奠定坚实的基础，同时也满足我国国防、科学研究和国民经济发展的需求。

惯性约束聚变（ICF）对国防科技和未来能源开发有着重要的科学意义和应用价值。激光远场焦斑能量分布是ICF系统的重要参数。如何高精度诊断激光远场焦斑对ICF系统整体性能评估及实际运转具有重大的指导意义。传统的激光远场焦斑诊断方法存在诸多影响测量精度的误差源，探索新的更高精度的激光远场焦斑诊断手段是迫切需要解决的问题。因此，本项目研究基于混合调制相位恢复的高能激光远场焦斑诊断关键技术，研究内容及成果主要包括：①仿真设计了混合调制光栅，并对周期误差和台阶高度误差对衍射效率影响进行了分析，按照设计加工的光栅衍射效率测试结果与理论设计值偏差小于0.1‰；②基于混合调制快收敛瞬态相位恢复方法研究：提出了变尺度角谱衍射场传输数值计算方法和基于参数化模式法和自适应附加约束角谱迭代的相位恢复算法；理论仿真分析了调制误差对相位恢复收敛性的影响；提出基于量子遗传算法（QGA）和BFGS非线性寻优算法的调制距离寻优方法，实验结果表明所提相位恢复方法收敛速度提高了10倍；③提出了基于刃边衍射场的混合调制相位恢复技术频响特性标定方法，建立了基于刃边衍射场的混合调制相位恢复频响特性标定模型；④在以上研究基础上，研制了基于混合调制相位恢复的光场复振幅测量仪，并搭建了基于纯相位型液晶空间光调制器和自研光场复振幅测量仪的激光远场焦斑诊断实验装置，对已知相位调制的衍射场进行远场焦斑诊断，低频段本项目所提技术重构结果与理论值RMS相对误差3.64%，哈特曼-夏克波前传感器重构结果与理论值RMS相对误差19.41%，在中高频段本项目所提技术重构结果与理论值RMS相对误差13.08%，哈特曼-夏克波前传感器重构结果与理论值RMS相对误差21.25%，结果表明本项目所提技术相比哈特曼-夏克波前传感器测量带宽大，且具有更高的测量精度。研究成果将对我国ICF系统性能的提升具有重要的科学意义，同时此成果还可应用于生物医学成像和光学元件表面三维形貌检测。