icf實(shí)驗(yàn)中靶點(diǎn)定位需求分配

icf實(shí)驗(yàn)中靶點(diǎn)定位需求分配

icf研究的大型透射儀由多條高功率激光束組成，每條圖像有許多光學(xué)元素。由于外部環(huán)境的變化，光學(xué)元素的光學(xué)表面偏移和相關(guān)元素的機(jī)械偏移和傾斜，導(dǎo)致圖像點(diǎn)的位移，從而影響打擊執(zhí)行的精度。為了使各光束準(zhǔn)確定位于靶點(diǎn),本文基于神光Ⅲ原型裝置結(jié)構(gòu),探討其定位誤差估計(jì)方法。研究光學(xué)元件定位誤差分析方法,主要是基于ICF物理實(shí)驗(yàn)要求,將其對靶點(diǎn)定位需求量(所有到達(dá)靶點(diǎn)的光束定位誤差不超過30μm),分配到光路中各個(gè)光學(xué)元件上。隨著用于ICF的大型固體激光裝置的不斷發(fā)展,對光學(xué)元件定位誤差研究日趨重要,它不僅僅是反映光學(xué)元件及其支撐結(jié)構(gòu)對外界激勵(lì)和內(nèi)部變化的響應(yīng)程度,而且是評價(jià)光學(xué)設(shè)計(jì)系統(tǒng)和光學(xué)元件結(jié)構(gòu)性能的重要指標(biāo)。目前,美國NIF裝置在繼Nova和Omega激光裝置的基礎(chǔ)上,對光學(xué)元件定位誤差進(jìn)行了認(rèn)真的研究,它從光學(xué)元件運(yùn)動(dòng)量與靶點(diǎn)光束定位之間的關(guān)系出發(fā),借Nova和Omega激光裝置中光學(xué)元件運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),利用光線追跡進(jìn)行檢驗(yàn),給出每一個(gè)光學(xué)元件定位誤差值,并從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上對影響光束定位的激勵(lì)源進(jìn)行了有限元分析,進(jìn)一步修正了光學(xué)元件定位誤差值。我國雖然相繼建成了星光Ⅱ和神光Ⅱ大型激光器裝置,但對靶點(diǎn)光束定位誤差研究做的很少,在文獻(xiàn)中,直接運(yùn)用光線追跡法進(jìn)行光學(xué)元件定位誤差分析,由于陷入大量的運(yùn)算過程中,無法給出一個(gè)可行性分配方案。所以有必要進(jìn)一步開發(fā)和研究適合我國大型固體激光器發(fā)展的光學(xué)元件定位誤差分析方法。1線性加權(quán)與法方法的運(yùn)用對光學(xué)元件定位誤差值預(yù)估,我們將ICF對靶點(diǎn)總的需求(σ2),進(jìn)行加權(quán)平均分配到光路中各個(gè)組成部分(σ2GTGΤ2),運(yùn)用概率方法再將其分配到各個(gè)光學(xué)元件(σ2ETEΤ2),最后根據(jù)光學(xué)元件運(yùn)動(dòng)量與靶點(diǎn)定位之間的關(guān)系,確定各個(gè)光學(xué)元件定位誤差(σ2EE2)。其技術(shù)路線如圖1所示。由于組成光路的各個(gè)部分結(jié)構(gòu)不同,所處的位置不同,所以對靶點(diǎn)的定位影響也不同。為了充分體現(xiàn)這一點(diǎn),我們運(yùn)用了線性加權(quán)和法方法求其各個(gè)部分的權(quán)重因子。其基本思想是根據(jù)各個(gè)目標(biāo)在問題中的重要程度,分別賦予它們一個(gè)數(shù),并把這個(gè)數(shù)作為該目標(biāo)的系數(shù),將目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式σ2=∑inσ2iσ2=∑inσi2變?yōu)棣?=∑1nωiσ2σ2=∑1nωiσ2,即有σ2i=ωiσ2(1)σi2=ωiσ2(1)式中:σ為總均方差;σi為第i個(gè)部件均方差;ωi為第i個(gè)部件權(quán)系數(shù),即權(quán)重因子。1.1特征函數(shù)及權(quán)重的確定在確定權(quán)重因子過程中,我們采用了判斷矩陣法,其本思想是首先用數(shù)字1至9個(gè)數(shù)標(biāo)出對兩兩目標(biāo)的比較判斷,然后構(gòu)造判斷矩陣,再運(yùn)用判斷矩陣計(jì)算出所有目標(biāo)的權(quán)系數(shù)。具體求解過程:一是運(yùn)用文獻(xiàn)中的(1)～(3)式和(12),(13)式建立的光學(xué)元件運(yùn)動(dòng)量與靶點(diǎn)光束定位之間關(guān)系,確定每個(gè)光學(xué)元件發(fā)生單位變化量對靶點(diǎn)的影響大小,運(yùn)用(2)式再計(jì)算出每一部分的對靶點(diǎn)的定位誤差(見表1)。二是將表1中組成部分進(jìn)行兩兩比較,確定其相對重要程度,進(jìn)而確定出判斷矩陣中的元素值;如果有可靠的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),也可對其相對重要程度進(jìn)行修正。三是運(yùn)用判斷矩陣法求其各個(gè)組成部分的權(quán)重值,再運(yùn)用(1)式求其各個(gè)部分對靶點(diǎn)的影響值,結(jié)果見表2。σ2j=∑i=1mσ2i(i=1???m；j=1???5)(2)σj2=∑i=1mσi2(i=1???m；j=1???5)(2)式中:σj為每一部分對靶點(diǎn)的定位誤差;σi為每一光學(xué)元件發(fā)生單位變化對靶點(diǎn)的定位誤差。1.2反射鏡光學(xué)元件的允許變化問題運(yùn)用等概率或不等概率方法,將表2各部分對靶點(diǎn)的定位誤差分配到各個(gè)光學(xué)元件對靶點(diǎn)的定位誤差,運(yùn)用文獻(xiàn)中的(1)～(3)式和(12),(13)式建立的光學(xué)元件運(yùn)動(dòng)量與靶點(diǎn)光束定位之間關(guān)系,計(jì)算出光學(xué)元件的定位誤差,此值是對光學(xué)元件一個(gè)總的要求,如何分配到光學(xué)元件各自由度上?對平面反射鏡只考慮繞垂直于光線入射面旋轉(zhuǎn)對靶點(diǎn)的影響,因而將其定位誤差估計(jì)值作為其允許變化的范圍。對透鏡光學(xué)元件可從平移和旋轉(zhuǎn)兩個(gè)方面四個(gè)自由度上進(jìn)行考慮。假定光軸為Z軸,四個(gè)自由度定義為:沿X軸平移和沿Y軸平移,繞X軸旋轉(zhuǎn)和繞Y軸旋轉(zhuǎn)。(a)運(yùn)用光線追跡方法計(jì)算透鏡每一自由度上發(fā)生單位變化對靶點(diǎn)的影響值。(b)根據(jù)總的估計(jì)值,求出每一自由度上最大定位誤差值。(c)對同一組成部分中透鏡,以每一自由度上的最小值作為整組透鏡該自由度上的允許變化的范圍?？偟慕Y(jié)果見表3。2追跡檢驗(yàn)及其結(jié)果表3僅是一個(gè)初步預(yù)估的結(jié)果,它規(guī)定了光學(xué)元件定位誤差變化范圍,在外界因素的作用下,究竟能否滿足物理實(shí)驗(yàn)要求,在此我們運(yùn)用光線追跡進(jìn)行檢驗(yàn)。光線追跡的結(jié)果可用一個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)值和點(diǎn)到中心的距離兩種表示。點(diǎn)坐標(biāo)值反映其相對中心的彌散程度;用點(diǎn)到中心的距離可以判斷區(qū)間變化狀態(tài)。2.1樣本數(shù)的確定由于我們不可能窮盡每一種變化,但可以認(rèn)為每一個(gè)光學(xué)元件每一種變化都是等概率發(fā)生,根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)原則,可以運(yùn)用樣本來估計(jì)總體,而樣本數(shù)越多,對總體的估計(jì)越精確,為此本文選取樣本數(shù)為5000,也就是說進(jìn)行5000次光線追跡。點(diǎn)分布彌散如圖2所示,圖中圓的直徑為30μm,表示物理實(shí)驗(yàn)的要求。2.2不同光學(xué)元件間的區(qū)間估計(jì)將每次光線追跡的結(jié)果用點(diǎn)到靶點(diǎn)的距離表示,求均值,以均值為估計(jì)參數(shù),以15μm為估計(jì)偏差,置信度為1-a(a=0.05),以正態(tài)分布已知偏差原理進(jìn)行區(qū)間估計(jì),看其區(qū)間是否落在區(qū)間,其結(jié)果為[11.45,13.31]。進(jìn)而說明了表3光學(xué)元件定位誤差估計(jì)是可行性的。圖3表示了追跡了5000次,距離落在小于1、大于1小于3、大于3小于5、…,大于29μm等16個(gè)區(qū)間的點(diǎn)數(shù),從其點(diǎn)分布趨向,也說明了我們采用正態(tài)分布進(jìn)行區(qū)間估計(jì)的合理性。3不同自由度光學(xué)元件的響應(yīng)面分布運(yùn)用以上對光學(xué)元件定位誤差的預(yù)估的技術(shù)路線,輔以必要的光線追跡,是能夠完成光學(xué)元件定位誤