对强激光装置系统中小尺度自聚焦进行表征及评价的方法制造方法及图纸

技术编号:20654564 阅读:46 留言:0更新日期:2019-03-23 06:26
本发明专利技术公开了一种对强激光装置系统中小尺度自聚焦进行表征及评价的方法,根据激光束发生小尺度自聚焦后其近场空间频率分布会发生变化,所述表征及评价方法包括:S1,采用PSD表征量对近场进行频谱分析,以得到对应的PSD曲线;S2,依据香农熵的特点,将PSD曲线进行香农熵计算,获得对应的PSD熵表征曲线;S3,根据PSD熵表征曲线中出现的拐点,进而确定小尺度自聚焦开始快速增长的阈值。本发明专利技术的表征及评价方法能准确、直观、清楚地表征小尺度自聚焦开始快速增长的拐点。

【技术实现步骤摘要】
对强激光装置系统中小尺度自聚焦进行表征及评价的方法
本专利技术涉及一种在强激光非线性光学领域应用情况下使用的评价方法。更具体地说,本专利技术涉及一种用在强激光非线性光学领域应用情况下对强激光装置系统中小尺度自聚焦进行表征及评价的方法。
技术介绍
ICF以及其他高能量高密度科学研究对强激光装置的输出能量和功率提出了极高的要求。随着输出能量和功率的提高,由于放大器储能和能量提取有限,装置输出能量受限,而功率的提高会产生非线性效应,导致光学元件损伤,因此装置还面临功率受限。尤其在短脉冲输出时,相同能量下的功率密度更大,非线性效应更明显,功率受限将先于能量受限出现,成为限制装置输出能力的主要原因。功率受限主要来自于非线性小尺度自聚焦带来的光学损伤。在强激光装置中,由于光学元件加工以及表面污染等带来的缺陷、热畸变等因素,光路中不可避免存在噪声,使得光束存在相位调制和振幅调制。这些带有调制的强激光束在光学元件中传输、放大与频率转换时,一旦功率达到非线性效应阈值,原本微小的调制可获得快速的非线性增长,使激光束分裂形成若干强度极高的光束细丝,即发生非线性小尺度自聚焦。这些获得非线性增长的光束细丝强度远超过光束的平均强度,将对光路中的激光介质和光学元件造成损伤,威胁装置的安全运行。因此,对强激光装置光束的非线性小尺度自聚焦程度进行评价,找出小尺度自聚焦快速增长的阈值,明确装置安全运行下的最大输出能力,对于强激光装置的设计、安全运行以及性能提升都具有重要意义。美国的NIF装置以及其他很多强激光装置都将B积分限制值来评价强激光束非线性小尺度自聚焦程度。B积分是由介质非线性系数、光强和光束传输距离得来的,由于不同激光装置的光学元件制造水平和环境管理水平不同,所以对于特定装置需要确定其非线性小尺度自聚焦开始快速增长时对应的B积分值。目前已报道的研究表明激光束发生小尺度自聚焦后其近场会发生变化,近场表征量例如对比度、调制度、高阶对比度和PSD等在一定程度上表征激光束近场的变化,但这些表征量要么随着B积分增加单调增大,要么依赖经验判断,并无明显的突变点。例如,根据激光束发生小尺度自聚焦后其近场空间频率分布会发生变化,而PSD是表征近场空间频率分布的有效方式,但根据PSD曲线不能快速判断出小尺度自聚焦的快速发展特点,故可知现有技术中的表征方法多样但复杂,且不能直观地给出小尺度自聚焦的快速发展特点,无法满足评价的需要,不具有优越性。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷,并提供至少后面将说明的优点。本专利技术还有一个目的是提供一种对强激光装置系统中小尺度自聚焦进行评价的方法,其采用一维PSD和香农熵的结合,进而提供一种简单、准确、直观的强激光装置激光束小尺度自聚焦快速增长的表征方法。本专利技术还有一个目的是提供一种基于PSD熵对强激光装置系统中小尺度自聚焦进行评价的方法,其通过一维PSD和香农熵的结合,提出PSD熵的评价方法,即对近场先进行一维PSD处理,再将PSD曲线进行香农熵计算,通过PSD熵曲线出现的拐点确定小尺度自聚焦开始快速增长的阈值,能够更加清晰直观的给出装置中光束小尺度自聚焦开始快速发展对应的B积分,相比于经典的对比度、调制度、PSD曲线等评价方法表现出明显的优越性。为了实现根据本专利技术的这些目的和其它优点,提供了一种对强激光装置系统中小尺度自聚焦进行表征的方法,根据激光束发生小尺度自聚焦后其近场空间频率分布会发生变化,所述表征方法包括:S1,采用PSD表征量对近场进行频谱分析,以得到对应的PSD曲线;S2,依据香农熵的特点,将PSD曲线进行香农熵计算,获得对应的PSD熵曲线。本专利技术还提供了一种对强激光装置系统中小尺度自聚焦进行评价的方法,还包括:S3,根据PSD熵曲线中出现的拐点,进而确定小尺度自聚焦开始快速增长的阈值。优选的是,其中,在S1中,通过PSD表征量对近场进行频谱分析的方式被配置为包括:S11,对相同脉冲下能量逐渐提升的一组光束近场,采用对各空间频率进行分量统计和分析;S12,对近场的低频空间频率进行滤波处理;S13,对滤波后的近场分布采用一维PSD做二次计算,以得到对应的PSD曲线。优选的是,其中,在S11中,所述一维PSD计算公式为:其中,I是光强分布,L是光束口径,表示对I(x,y)进行傅里叶变换。优选的是,其中,S12中,所述滤波的函数为:其中,kf0是控制焦斑轮廓的截止频率,kf1和kf2是选择滤波的频率,m是超高斯阶次。优选的是,其中,在S2中,依据香农熵的特点,将PSD曲线进行香农熵计算,对具有L个空间频率分布范围,有M个PSD值,分别统计各个频率值出现的概率并记作p1,p2,...,pn,对PSD熵作如下定义:其中,pi为第i级空间频率出现的概率;式中Li为空间频率等于i的个数,根据香农熵的极值性特点,当空间频率集中在单一频率值时,PSD香农熵具有最小值H=0,当空间频率分布在各个频率值时,PSD香农熵具有最大值H=logL,PSD熵随着运行通量的提高,在非线性快速增长后会发生反向变化,即在小尺度自聚焦快速发展时,PSD熵具有最小值拐点。优选的是,其中,在S3中,依据PSD熵曲线中出现的最小值拐点,进而清晰直观得到强激光装置中光束小尺度自聚焦开始快速发展对应的阈值B积分。优选的是,其中,所述强激光装置被配置为包括相配合的前端系统,放大系统,靶场系统;其中,所述前端系统被配置为采用光纤激光器以产生相应波长的激光;放大系统被配置为用以将前端输出的点光源进行扩束成对应的方光束,并通过相配合的钕玻璃片对激光束进行能量放大,以使放大后的激光束进入靶场系统;靶场系统被配置为将相应波长激光倍频为大口径激光束的倍频晶体,进而通过相配合的聚焦透镜将大口径的激光束聚焦到靶点。本专利技术至少包括以下有益效果:其一,本专利技术提供一种对强激光装置系统中小尺度自聚焦进行评价的方法,其采用一维PSD和香农熵的结合,进而提供一种简单、准确、直观的强激光装置激光束小尺度自聚焦快速增长的表征方法。其二,本专利技术还提供一种基于PSD熵对强激光装置系统中小尺度自聚焦进行评价的方法,其通过一维PSD和香农熵的结合,提出PSD熵的评价方法,即对近场先进行一维PSD处理,再将PSD曲线进行香农熵计算,通过PSD熵曲线出现的拐点确定小尺度自聚焦开始快速增长的阈值,能够更加清晰直观的给出装置中光束小尺度自聚焦开始快速发展对应的B积分,相比于经典的对比度、调制度、PSD曲线等评价方法表现出明显的优越性。本专利技术的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现,部分还将通过对本专利技术的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。附图说明图1为本专利技术的一个实施例中为近场强度分布I(x,y)的示意图;图2为本专利技术的另一个实施例中能量下近场强度分布的一维PSD分布的结构示意图;图3为本专利技术的另一个实施例中PSD概率的分布示意图;图4为本专利技术的另一个实施例中主放段的近场分布示意图;图5为本专利技术的另一个实施例中与主放段相对应的倍频段近场分布示意图;图6为本专利技术的另一个实施例中主放段近场的一维PSD分布示意图;图7为本专利技术的另一个实施例中倍频段近场的一维PSD分布示意图;图8为本专利技术的另一个实施例中倍频段滤波函数一维示意图;图9为本专利技术的另一个实施例中倍频段近场本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种对强激光装置系统中小尺度自聚焦进行表征的方法,其特征在于,根据激光束发生小尺度自聚焦后其近场空间频率分布会发生变化,所述表征方法包括:S1,采用PSD表征量对近场进行频谱分析,以得到对应的PSD曲线;S2,依据香农熵的特点,将PSD曲线进行香农熵计算,获得对应的PSD熵表征曲线。

【技术特征摘要】
1.一种对强激光装置系统中小尺度自聚焦进行表征的方法,其特征在于,根据激光束发生小尺度自聚焦后其近场空间频率分布会发生变化,所述表征方法包括:S1,采用PSD表征量对近场进行频谱分析,以得到对应的PSD曲线;S2,依据香农熵的特点,将PSD曲线进行香农熵计算,获得对应的PSD熵表征曲线。2.一种采用如权利要求1所述表征方法对强激光装置系统中小尺度自聚焦进行评价的方法,其特征在于,还包括:S3,根据PSD熵表征曲线中出现的拐点,进而确定小尺度自聚焦开始快速增长的阈值。3.如权利要求2所述的评价方法,其特征在于,在S1中,通过PSD表征量对近场进行频谱分析的方式被配置为包括:S11,对相同脉冲下能量逐渐提升的一组光束近场,采用对各空间频率进行分量统计和分析;S12,对近场的低频空间频率进行滤波处理;S13,对滤波后的近场分布采用一维PSD做二次计算,以得到对应的PSD曲线。4.如权利要求3所述的评价方法,其特征在于,在S11中,所述一维PSD计算公式为:其中,I是光强分布,L是光束口径,表示对I(x,y)进行傅里叶变换。5.如权利要求3所述的评价方法,其特征在于,S12中,所述滤波的函数为:其中,kf0是控制焦斑轮廓的截止频率,kf1和kf2是选择滤波的频率,m是超高斯阶次。6.如权利要求2所述的评价方...

【专利技术属性】
技术研发人员:黄小霞邓学伟周维胡东霞王芳郭怀文王渊承赵博望邓武钟伟杨英王德恩张鑫
申请(专利权)人:中国工程物理研究院激光聚变研究中心
类型:发明
国别省市:四川,51

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