基于PIE的激光驱动器大口径光学元件检测技术研究

In constructing and upgrading the ‘SG’ high power laser facilities of China, there is no ideal technique available now to realize the accurate online and offline measurement of the large optical elements, which have the diameter up to half meter and the weight of hundreds pounds. To some degree, this has become a big barrier for the performance improvement of these facilities and has hindered the progress of the ICF related research. To resolve this problem, a new kind of technique is proposed in this proposal for the large optical element measurement by studying and modifying the newly developed PIE (Ptychographical Iterative Engine)imaging method. Completely different from all the traditional techniques, this proposed method reconstructs the complex transmission function of the optical elements without using the interferometric setup, the standard mirror, the micro-lens array and other high quality optics, and accordingly it has the advantages of small size, light weight, simple structure, high accuracy and wide applicability. At the same time, since its requirement on the stability of the working environment is quite low, it is much suitable for the online measurement of the optical elements of the laser driver. Internationally, this is the first time for PIE to be studied as an optical metrology technique, and its success will directly improve the performance of our 'SG' laser drivers.

在我国"神光"系列高功率激光驱动器的建造和后续升级改造中，一直缺乏有效的技术对那些直径近半米并重达数百斤的大口径光学元件进行离线和在线精密检测，一定程度上影响了驱动器整体性能的提升，并对激光核聚变研究造成了不利影响。为解决这个问题，本项目将在对国际上新近出现的PIE（Ptychographical Iterative Engine）成像技术进行系统改进的基础上，发展出一种新的大口径光学元件测量方法。该方法采用和现有的任何光学检测技术都完全不同的测量原理，直接从衍射斑强度重建出待测元件的透射函数，无需使用干涉光路、标准镜和微透镜阵列等复杂光学器件，具有体积小、重量轻、结构简单、精度高和适用范围广等一系列优点。同时，由于该测量方法对使用环境的稳定性要求较低，非常适合在激光驱动器的工程现场使用。本项目是国际范围内首次将 PIE 技术用于光学元件检测，所研究的技术将直接促进驱动器性能的提升。

在我国"神光"系列高功率激光驱动器的建造和后续升级改造中，一直缺乏有效的技术对那些直径近半米并重达数百斤的大口径光学元件进行离线和在线精密检测，一定程度上影响了驱动器整体性能的提升，并对激光核聚变研究造成了不利影响。. 为解决这个问题，本项目对国际上新近出现的PIE(Ptychographical Iterative Engine)成像技术进行了系统改进，发展出了一种新的大口径光学元件测量方法。项目实施过程中开展了关键调制器件散射板的优化设计，采用双曝光方法和PIE技术相结合，通过测量采样间隔的调整，成功实现了激光驱动器中口径31cm复杂面型光学元件连续相位板CPP(Continuous Phase Plate)的测量，空间分辨率达到65μm，设计值和测量值最大误差仅为2.1rad，同时完成了系统测量特性的定量分析。采用该技术项目组还实现了大口径阵列透镜焦距的精确测量，弥补了现有检测技术的不足，为大口径阵列透镜的精密加工提供了一种重要的检测技术。. 由于本项目采用和现有的光学检测技术完全不同的测量原理，直接从衍射斑强度重建出待测元件的透射函数，无需使用干涉光路、标准镜和微透镜阵列等复杂光学器件，具有体积小、重量轻、结构简单、精度高和适用范围广等一系列优点。同时，该测量方法对使用环境的稳定性要求较低，非常适合在激光驱动器的工程现场使用。本项目在国际范围内首次将PIE技术用于大口径光学元件检测，为激光驱动器性能的提升提供了重要检测技术支撑。. 在本项目的研究工作中，我们一共发表科研论文30篇，其中被SCI收录22篇，EI收录7篇，其中Applied Physics Letters 1篇，Optics Letters 2篇，Optics Express 6篇，申请国家发明专利13项，其中已授权8项。在国内外重要学术会议做口头报告5次，部分研究成果荣获2019年上海市科技进步奖一等奖和2018年中国仪器仪表学会科学技术奖一等奖。值得一提的是，在本项目研究中，与印度的科学家和国内的清华柔性电子技术研究院开展合作研究，获得了较好的研究成果。本项目的研究在激光聚变、生物医学成像领域具有重要的应用前景。