大型激光系统的简化狭缝空间滤波器的性能外文翻译资料

 2022-05-06 09:05

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大型激光系统的简化狭缝空间滤波器的性能

作者：Han Xiong, Xiao Yuan,* Xiang Zhang, and Kuaisheng Zou

参考和链接：

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摘要：提出了一种新型三透镜狭缝空间滤波系统，通过增加柱面透镜将焦斑转化为焦线，增大焦点面积，降低焦点强度。 通过详细的理论计算和数值模拟，理解它在图像中继，孔径匹配和空间滤波等方面的性能。 根据国家点火设备中的传输空间滤波器，我们提出了一种可更换的狭缝空间滤波器，它可以减小激光系统的总长度，提高光束质量，抑制甚至避免空间滤波器中的针孔（缝隙）闭合。

一．简介

由于空间缺陷的存在，如光学元件和光路中的灰尘，划痕和杂质，强烈的激光束将不可避免地遇到空间频率的调制。这些调制将在激光系统中增长，并导致光束的快速非线性增长以及小规模自聚焦，降低激光光束质量并导致激光介质和光学元件的损坏，这被认为是设计和制造高功率激光系统的主要限制之一，特别是在强度较高的惯性约束聚变激光器中。传统的空间滤波器（SF）由两个凸透镜和一个放置在其共同焦平面上的针孔组成。针孔用于通过清除中间和高空间频率来提高输出光束质量。然而，大型激光系统中焦斑的强度非常强大，以至于针孔的有效截止半径总是受到强烈的激光照射，从而导致针孔闭合。此外，滤波器系统需要高真空环境，避免高强度造成空气击穿。因此，如果空间滤波器的焦斑强度明显下降并保持有效的滤波效果，对于大型激光系统的发展具有重要意义。

幸运的是，狭缝滤波器能够满足这些要求，这可以通过在空间滤波器中添加柱面透镜来获得。但迄今为止关于狭缝滤波器的研究还很少见。 1983年，S. Wang和Y. Li 在上海光学精密机械研究所使用双缝来过滤全息图像的散光束。但没有提及空间滤波狭缝的相关特性，也没有涉及高功率激光。在2012年，劳伦斯利弗莫尔国家实验室的A. C. Erlandson申请了关于狭缝滤波器的专利，该专利使用四个柱面透镜代替针孔滤波器中的原始球面透镜。这种方法将原始焦点变成焦线以扩大焦点区域，这有利于解决针孔闭合，因为降低了焦点强度。然而，由于由圆柱形透镜和狭缝孔径引起的复杂的角度调节，该狭缝滤波器将增加成本并使其更难以对准和保持。对于在狭缝滤波器中使用较少透镜的狭缝滤波器的实际应用或者尽可能使用球面透镜代替柱面透镜将是有帮助的。

在这篇文章中，我们提出了一种新型狭缝滤波器，结合了两个一维柱面透镜和一个球面透镜。这种新型滤波器在图像中继，孔径匹配和空间滤波等方面的特点都被理论计算和数值模拟所理解。此外，我们使用这种缝隙滤波器模型来模拟国家点火设备（NIF）系统，并且与NIF系统中的原始透射空间滤波器（TSF）相比，显示了更好的性能。

二.狭缝滤波器的模拟和特点

如图1所示，狭缝滤波器系统包括两个柱面透镜，一个球面透镜和两个狭缝孔。在狭缝滤波器中，原始焦斑被变换成两个独立的正交。如图2所示，聚焦区域较大时焦点强度明显降低，并且聚焦线旁边的空间频率通过放置在焦平面中的狭缝进行过滤。 因此，可以有效地缓和针孔滤波器中的针孔闭合。

图1.狭缝滤波器结合两个柱面透镜和一个球面透镜的示意图

由于引入了柱面透镜，前（后）焦平面在x和y方向上的位置将彼此分开，如图3所示，其中Y-FFP指的是y方向上的前焦平面方向，并且X-BFP意味着x方向上的后焦面。 为了了解狭缝SF的图像中继功能，找出滤波系统的前（后）焦平面，将基于瑞利 - 索末菲衍射积分和透镜变换进行理论分析。

图2.焦平面上的焦线（a）三维视图和（b）狭缝-I平面内空间谱的垂直视图。 （c）三维视图和（d）狭缝-II平面中空间光谱的垂直视图。

图3.焦平面的标记位置

以类似的多高斯函数形式表示的超高斯正方形波束入射在淤泥滤波器系统上。 在柱面透镜-I之前选择入射平面z1的距离，并且在柱面透镜-II之后将输出平面选择z2的距离。 距离z1和z2都是未定义的常量。 这里使用的入射光束是一个多高斯函数：

（1）

其中R是多高斯函数的阶数，W是多高斯函数中每个高斯分量的腰半径。 根据瑞利 - 索末菲衍射积分和透镜变换理论，输出激光束可以得到如下：

（2）

其中S是系统的整个光路，k是波数。 在...的条件下

N2·z1 z2 = 0，等式 （2）可以转换为：

（3）

当放大倍数N是一个整数时，方程（3）类似于Eq。 由于x和y的范围相对于坐标原点是对称的，因此它不会对方程产生影响。 如果放大倍数N不是一个整数，则方程（3）在N倍光束扩展的情况下将减少N倍（强度将减少N 2倍），并且在x方向和y方向上激光束的分布将增加N倍（光束区域将增加N2倍），这与强度和光束面积的乘积恒定的光传输原理相一致。所以它符合图像中继和光圈匹配的要求。 N2·z1 z2 = 0的条件可以进一步转化为z1 = z2 = 0，这意味着系统的前后焦平面恰好位于柱面透镜-I的位置（在图1中用S-FFP标记）和柱面透镜-II（在图3中用S-BFP标记）。

对于传统的针孔滤波器，输出光束可以在以下条件下与输入光束类似：

（4）

或以另一种形式：

（5）

其中f是针孔滤波器中第一透镜的焦距。 从方程式可以看出。 （4）当N是一个整数时，z1必须等于z2。 设置方程的两边。 （5）归零，然后可以得到解：

（6）

（7）

等式（6）和（7）示出了针孔滤波器的前后焦平面的位置，其与常规针孔滤波器的图像中继特性一致。

图4.图像中继的模拟 在一次光圈匹配的情况下，（a），（b）和（c）分别是入射光束，带有针孔滤波器的中继光束和带有狭缝滤波器的中继光束。 在4倍孔径匹配的情况下，（d），（e）和（f）分别是入射光束，带有针孔滤波器的中继光束和带有狭缝滤波器的中继光束

我们选择一个孔径为20mmtimes;20mm的20阶超高斯正方形光束来演示图像中继过程。 如图4（a）所示，入射光束由调制深度10％和宽度1mm的十字交叉调制。 仿真表明，由针孔滤波器和狭缝滤波器传播的交叉图像都是完整的和无畸变的，如图1和2所示。 4（b）和4（c）。 此处使用近场调制和近场对比度来评估针孔滤波器和狭缝滤波器的图像中继效应。 近场调制被定义为峰值强度与平均强度的比值，近场对比度是强度分布的均方根值与平均值的比值，如下所示：

（8）

其中n是采样点的数量，Ii是点i的强度，Iavg是光束上的平均强度。 近场调制和近场对比两种输出光束之间的差异分别仅为0.38％和0.15％，这意味着狭缝滤波器的图像中继功能等同于针孔滤波器的功能。 在4倍光圈匹配的情况下，可以看出中继的交叉图像仍然是完整的和无畸变的，如图1和2所示。 如图4（e）和4（f）所示，但近场调制和近场对比度中两个输出光束之间的差异分别变为1.64％和0。 所以即使在多次光圈匹配的情况下，图像中继功能依然可以满足。

图5.空间滤波模拟 （a）和（b）分别是入射光束及其空间谱。 空间光谱是三维的并且以侧视图示出，并且（b）中的插入是以垂直视图示出的空间光谱。 （c）和（d）分别是带有针孔滤波器的滤波光束及其空间光谱，（e）和（f）分别是带有狭缝滤波器的滤波光束及其空间光谱

为了评估滤波效果，使用孔径为20mmtimes;20mm的20阶超高斯光束来分析狭缝滤波器和针孔滤波器的滤波特性。

入射光束的近场分布如图5（a）所示,图5（b）示出了侧视图和垂直视图中的空间光谱。焦点的焦距,在两个滤波器系统中使用的透镜都是1m，狭缝的宽度和针孔的直径都是1mu;m和0.73mm，对应的截止频率为0.35mm-1或8次衍射限制（DL）。用针孔和狭缝滤波器过滤的光束的近场分布是

如图1和2所示。 5（c）和5（e）。图5（d）和5（f）是空间光谱光束分别用针孔和狭缝滤波器过滤。结果表明频率超过0.35mm-1从狭缝SF输出的光束被清除，这与之相符与针孔SF的相同。

如图6所示，具有针孔滤波器和狭缝滤波器的滤波光束的空间谱在8XDL（0.35mm-1）的光束质量下，10XDL（0.43mm-1）和12XDL（0.52mm-1）的光束质量为给出。带有针孔的滤波光束的相应近场强度分布滤波器显示在图。图7（a）-7（c）中。图7（d）-7（f）显示了近场的减法滤波后的狭缝滤波器和针孔滤波器的分布。可以看出最大值图。图7（d）-7（f）低于来自空间滤波器的输出光束强度通过三个数量级，这意味着狭缝滤波器的空间滤波效果差不多与针孔滤波器的相同。对于8XDL，10XDL和12XDL的光束质量，在近场调制和近场对比度中两个滤波光束之间的差异分别为0.31％

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