4-3  高功率激光装置中透镜一阶“鬼”点形成规律分析

王  方  朱启华  张清泉  景  峰  彭志涛  胡东霞

高功率固体激光装置的透射元件的表面虽镀有减反膜，但这些膜层并不是完美无缺的，每一表面都反射小部分入射光，这些微弱的剩余反射光称为“鬼”光束。即使每个表面的反射率小于0.1%，对单束能量达千焦量级的惯性约束聚变驱动器来说，一阶“鬼”点仍可达到焦耳量级，极易对元器件造成损害。因此对高功率激光系统设计来说，作一阶“鬼”点位置的定量分析是非常必要的。由于在ICF激光驱动器中使用空间滤波器来滤波，所以在系统中引入透镜，这样在进行激光系统的设计时，空间滤波器透镜的光学设计就显得极为重要。另外，在考虑减小像差的同时必须考虑“鬼”点，特别是一阶“鬼”点的分布问题。

为了得到一阶“鬼”点形成的一般规律，从成像公式出发，利用薄透镜近似，对在高功率激光装置中所主要使用的4种形状的透镜，根据不同的入射方式对各表面剩余反射所形成的一阶“鬼”点位置与其焦距的关系进行了推导。对其中3种形状的透镜分别给出了两种入射方式下的关系式，见表1。

表 1  l /f ' 和折射率n的关系

根据表1的结果，对于这3种透镜可以得出结论：(1) 透镜所用玻璃材料的折射率n=1.5~1.7，而在此范围内，表1所列各表达式的值均随n增大而增大，即透镜一阶“鬼”点位置与焦距的比值随折射率的增大而增大；(2) 当透镜的材料，即折射率确定后，其一阶“鬼”点位置与焦距的比值一定。这样便可通过控制透镜的焦距长短来控制一阶“鬼”点的位置。在高功率激光装置中，可用适当加长透镜焦距的长度使一阶“鬼”点远离光学元件，而在口径不变的情况下，焦距的加长也有利于减小系统像差。

对于第4种透镜，即弯月形透镜，在大型激光装置中出于避“鬼”点的需要，一般将凸面朝向平行光面，凹面朝向焦点。当光由焦点出发入射到透镜的两个曲面上所形成的两个一阶“鬼”点都在焦点的这一边，并被空间滤波器小孔板所挡。因此主要考虑平行光入射到弯月透镜的凸面上所形成的一阶“鬼”点。设两个曲面的半径分别为R₁，R₂。(1)当R₂ / R₁ >n / (n-1)时，l<0，一阶“鬼”点在入射光一侧，为实“鬼”点，有害；(2)当R₂ / R₁ <n / (n-1)时，l >0，一阶鬼点在入射光的另一侧，为虚“鬼”点，无害。以上推导所得结果，已用于单束输出能量达到千焦量级的多程放大系统的调试及运行中，并得到实验结果的验证。

推导得到除弯月透镜外其他所有形状正透镜的一阶“鬼”点与其焦距的一般关系式，对弯月透镜也给出了能够避免“鬼”点损害的曲率半径范围，使得在透镜的焦距确定后能较容易的确定一阶“鬼”点的位置，为高功率激光装置中透镜的设计提供了一定的参考，减少了光学设计人员的工作量。