李 靜，王 釗，胡鳳明，高智星，田寶賢

(中國原子能科學(xué)研究院 核物理研究所，北京 102413)

天光一號是我國最大型的高功率準(zhǔn)分子激光系統(tǒng)，工作波長為248 nm，其角多路系統(tǒng)光束傳輸方向的準(zhǔn)確控制能力決定了放大器的幾何填充和能量提取水平。天光一號裝置的光路中包含多臺放電泵浦激光器、電子束泵浦放大器及大量的光學(xué)元件、組件，尤其是激光分成多路后，在空間形成交錯，使得光路極為復(fù)雜。為了避免各路光束相互之間發(fā)生串?dāng)_產(chǎn)生靶前預(yù)脈沖，保證系統(tǒng)運(yùn)行時將從振蕩器發(fā)出的種子光經(jīng)角多路系統(tǒng)傳輸、放大后，穩(wěn)定精確地照射到靶面上，必須采用光路全自動化準(zhǔn)直方法，這是確保光束穩(wěn)定精確地照射到靶面上的唯一途徑[1-4]。

國內(nèi)神光Ⅱ、神光Ⅲ等大型激光裝置均先后開展了自動準(zhǔn)直技術(shù)的研究工作[5-16]，進(jìn)行了相關(guān)計算并搭建了局部光路平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。他們多采用引入輔助光源并選取近場點(diǎn)與遠(yuǎn)場點(diǎn)的方法，進(jìn)行光路自動準(zhǔn)直。遠(yuǎn)場點(diǎn)取在光路的焦點(diǎn)處相當(dāng)于無窮遠(yuǎn)的位置，利用遠(yuǎn)場圖像來監(jiān)測光束的方向，再在主光路中選取一特定位置作為近場點(diǎn)，利用近場圖像來監(jiān)測光束的方位。

本文選取光程較長、組件較多的預(yù)放大器光路作為關(guān)鍵控制對象對天光一號裝置自動準(zhǔn)直方法進(jìn)行研究。根據(jù)準(zhǔn)分子激光的特點(diǎn)，采用主光路光源作為準(zhǔn)直光源，并利用判斷光斑缺損的方法進(jìn)行準(zhǔn)直，在預(yù)放大器的角多路傳輸光路上實(shí)現(xiàn)三束光的自動準(zhǔn)直。

1 自動準(zhǔn)直方法建立

1.1 基準(zhǔn)光源選取

天光一號KrF高功率準(zhǔn)分子激光裝置的光路系統(tǒng)較為復(fù)雜，為了確定適合其實(shí)際光路系統(tǒng)自動準(zhǔn)直的方案，首先選取單路預(yù)放大器輸入、輸出作為控制對象。對于角多路編碼光束在預(yù)放大器中的放大，光束傳輸方向決定了幾何填充和能量提取水平，保證光束按預(yù)定方向通過預(yù)放大器至關(guān)重要；為保證光束的均勻性，在像傳遞過程中像面位置不能發(fā)生變化。曾嘗試采用國內(nèi)外較通用的利用輔助準(zhǔn)直光源的遠(yuǎn)場點(diǎn)和近場點(diǎn)實(shí)現(xiàn)光路自動準(zhǔn)直的方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于主光源(波長248 nm)與輔助光源(He-Ne，波長632 nm)的波長不同，導(dǎo)致主光源的光束傳輸路徑與輔助準(zhǔn)直光源的光路無法精確重合。此外，在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，用于監(jiān)測近場點(diǎn)和遠(yuǎn)場點(diǎn)反射的輔助光路和整個復(fù)雜的主振蕩功率放大器(MOPA)系統(tǒng)在空間上很難錯開。綜上考慮，需要開展直接利用主光路光源進(jìn)行定位的可行性研究。

1.2 預(yù)放大器輸入、輸出自動準(zhǔn)直方案

在天光一號裝置的角多路系統(tǒng)中，前端種子光經(jīng)分束光路分為3束，通過三腔放大器放大后的激光照射到預(yù)放大器的輸入全反鏡上。預(yù)放大器單束光路如圖1所示，光束通過入射透鏡后，注入預(yù)放大器，通過預(yù)放大器前窗鏡、后窗鏡、后腔鏡進(jìn)行振蕩雙程放大后輸出，再經(jīng)過輸出透鏡，照射到輸出全反鏡上。

圖1 預(yù)放大器單束光路示意圖Fig.1 Scheme of beam propagation through preamplifier

為驗(yàn)證直接監(jiān)測光束傳輸方法的可行性，根據(jù)光傳輸原理和實(shí)際光路情況，制定了監(jiān)測調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)方案。最初的考慮是，利用CCD監(jiān)測后腔鏡上光斑圖像獲得的反饋信號控制調(diào)節(jié)預(yù)放大器輸入全反鏡，完成第1段光路準(zhǔn)直；再通過CCD監(jiān)測預(yù)放大器輸出全反鏡獲得反饋信號來控制后腔鏡的調(diào)節(jié)，完成整個預(yù)放大器光路的自動準(zhǔn)直。但調(diào)研中發(fā)現(xiàn)此方案難點(diǎn)較多：首先，直徑φ135 mm后腔鏡及支撐架的質(zhì)量為6 kg，其四維調(diào)節(jié)平臺需改為電動控制平臺，由于載質(zhì)量問題四維調(diào)節(jié)平臺設(shè)計難度和造價均較高；其次，后腔鏡上的光斑直徑較大，監(jiān)測點(diǎn)空間局限等問題造成后腔鏡監(jiān)測CCD安裝位置較難解決。

預(yù)放大器光路較長，即使入射光偏移很小，遠(yuǎn)程鏡面上的位移量也會較大。因此，選擇直接用CCD監(jiān)測預(yù)放大器輸出全反鏡上的光斑、反饋信號控制調(diào)節(jié)預(yù)放大器入射全反鏡角度的方案，對此方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。選用穩(wěn)定的紅光模擬注入光光源，在保證注入入射全反鏡上光斑位置近場分布不變的條件下，調(diào)節(jié)輸入全反鏡的入射角度，確定入射角度變化的調(diào)節(jié)范圍，即在多大調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，像面位置無明顯變化，光斑幾何填充無缺損，能量提取達(dá)到最大。進(jìn)而確定輸入全反鏡角度旋轉(zhuǎn)范圍及步進(jìn)電機(jī)控制的最小步長。

圖2 預(yù)放大器單束光路尺寸Fig.2 Spatial parameter of beam propagation through preamplifier

預(yù)放大器單束激光輸入、輸出全反鏡與窗鏡的中心呈軸對稱分布，預(yù)放大器單束光路尺寸如圖2所示，AM為輸入全反鏡到前窗鏡的距離，AB為入射光的光軸，CB為輸入、輸出全反鏡到后腔鏡的距離，MF為前窗鏡有效面積的半徑，HE為入射到前窗鏡上光斑的半徑。已知D=CB=12 700 mm,D1=FB=730 mm，d=MF=AC=60 mm，d1=HE=55 mm，設(shè)前窗鏡上光斑中心與前窗鏡中心的距離EF為h，光斑最大可移動的距離HM為Δd，所對應(yīng)的最大可偏移的角度∠MAH為α，AB與AC的夾角為θ，由三角形公式可得：

則：

Δd=d-d1-h=

60-55-3.45=1.55 mm

由于輸入全反鏡到輸入透鏡的距離為1.5 m，調(diào)節(jié)過程中，注入光束在入射透鏡上的位移遠(yuǎn)小于1 mm，可忽略不計。

根據(jù)上述計算結(jié)果可知，光斑的最大偏移角度小于0.007°時，注入預(yù)放大器的光斑則不會被切。將光路偏移角度換算為調(diào)節(jié)鏡架的偏轉(zhuǎn)角度。預(yù)放大器輸入、輸出調(diào)節(jié)鏡架的尺寸如圖3所示，調(diào)節(jié)鏡架頂絲與固定點(diǎn)之間的距離為44 mm，設(shè)調(diào)節(jié)鏡架旋轉(zhuǎn)角度為β，頂絲移動距離為L，當(dāng)入射光束偏轉(zhuǎn)α角度時，根據(jù)平面幾何可知2β等于α，則：

L=44sin(0.003 5°)=2.7×10-3mm

圖3 預(yù)放大器輸入、輸出調(diào)節(jié)鏡架的尺寸Fig.3 Sketch drawing of mirror holder for input/output beam of preamplifier

二維鏡架的調(diào)節(jié)是由控制器驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，進(jìn)而帶動頂絲旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)的。頂絲螺紋間距為0.25 mm，轉(zhuǎn)動1圈需200個驅(qū)動脈沖?？刂破骺蓪Ⅱ?qū)動脈沖信號細(xì)分為2的倍數(shù)，選擇控制器為4細(xì)分時，頂絲每行進(jìn)1步的位移R為：

設(shè)調(diào)節(jié)鏡架螺桿移動1步長R時，前窗鏡上光斑移動的距離為2Δx，由近似三角形公式可得：

則：

0.085 mm

由此可得，調(diào)節(jié)鏡架移動1步長前窗鏡上光斑移動的距離2Δx=0.085×2=0.17 mm，精度遠(yuǎn)高于用目視方法手工調(diào)節(jié)時的精度(約2 mm)。

2 預(yù)放大器輸入、輸出自動準(zhǔn)直系統(tǒng)的建立

自動準(zhǔn)直系統(tǒng)光路控制流程如圖4所示。準(zhǔn)直光源采用實(shí)際光路光源，CCD監(jiān)測預(yù)放大器輸出全反鏡上的光斑，圖像傳送到計算機(jī)從而判斷光斑是否缺損，由計算機(jī)軟件利用重心法計算偏移量，計算機(jī)按照計算值控制步進(jìn)電機(jī)控制器，再由控制器控制步進(jìn)電機(jī)的調(diào)節(jié)步長及方向，即達(dá)到控制預(yù)放大系統(tǒng)輸入全反鏡的目的。反復(fù)上述調(diào)節(jié)過程，直至計算機(jī)判斷監(jiān)測光斑無缺損位置，即完成此段光路的自動準(zhǔn)直。圖5為CCD監(jiān)測預(yù)放大器輸出光斑的圖像。

圖4 自動準(zhǔn)直系統(tǒng)光路控制流程Fig.4 Flow chart of automatic collimation system

圖5 預(yù)放大器輸出光斑的圖像Fig.5 Beam profile on output mirror of preamplifier

3 預(yù)放大器輸入、輸出自動準(zhǔn)直系統(tǒng)的測試結(jié)果

根據(jù)預(yù)放大器輸入、輸出特性，完成了其自動準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)計，建立了一套光路自動準(zhǔn)直裝置。該裝置輸入端選用步長為1.0 μm步進(jìn)電機(jī)，電動調(diào)節(jié)鏡架的頂絲選用0.25 mm的細(xì)牙螺紋?？刂破髡{(diào)節(jié)精度選用4細(xì)分，預(yù)放大器輸入、輸出的調(diào)節(jié)鏡架移動1步長的距離為0.085 mm時，前窗鏡上光斑移動的距離為0.17 mm。

考慮到國產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的回程差較大，對搭建的系統(tǒng)進(jìn)行了整體測試。在輸入全反鏡旋轉(zhuǎn)、俯仰角度調(diào)節(jié)角度<0.3°時，系統(tǒng)相對誤差小于5%，調(diào)節(jié)精度滿足精確調(diào)節(jié)的實(shí)驗(yàn)要求。

4 結(jié)論

為了保障六束激光聚焦疊加并穩(wěn)定精準(zhǔn)地照射到靶面上，在天光一號裝置上開展了適合其激光參數(shù)及光路特性的自動準(zhǔn)直技術(shù)研究。研究發(fā)現(xiàn)，采用傳統(tǒng)的光路自動準(zhǔn)直方法，由于主光路光源的波長與引入的輔助光源的波長相差過大，造成光束傳輸路徑無法精確重合。

本文建立了預(yù)放大器光路自動準(zhǔn)直系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了快速、高精度光束的調(diào)節(jié)，驗(yàn)證了自動準(zhǔn)直方案的可行性，調(diào)節(jié)精度達(dá)到0.17 mm，系統(tǒng)相對誤差小于5%，實(shí)現(xiàn)了快速、高精度光束調(diào)節(jié)的目標(biāo)。本文為天光一號KrF準(zhǔn)分子激光裝置后期開展MOPA光路全自動化準(zhǔn)直系統(tǒng)提供了可行的實(shí)驗(yàn)方案與思路。