[論文レビュー] The Wavefront Control System for the National Ignition Facility

Lewis Van Atta, Mark Perez+2 more|ArXiv.org|Nov 12, 2001

Ocular and Laser Science Research被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、国立慣性核融合施設（NIF）のリアルタイム波面制御システムを提示しており、77レンズレット・ハートマンセンサと39アクトレータの可変ミラーを用いて、正確なレーザー光ビームの焦点合わせと指向性制御を実現している。10 Hzのクローズドループ補正により、残余波面誤差は0.03波長（rms）に抑えられ、0.351-µmの1.8 MJの光が600-µmの標的に50 µm rmsの指向精度で焦点化された。

ABSTRACT

The National Ignition Facility (NIF) requires that pulses from each of the 192 laser beams be positioned on target with an accuracy of 50 um rms. Beam quality must be sufficient to focus a total of 1.8 MJ of 0.351-um light into a 600-um-diameter volume. An optimally flat beam wavefront can achieve this pointing and focusing accuracy. The control system corrects wavefront aberrations by performing closed-loop compensation during laser alignment to correct for gas density variations. Static compensation of flashlamp-induced thermal distortion is established just prior to the laser shot. The control system compensates each laser beam at 10 Hz by measuring the wavefront with a 77-lenslet Hartmann sensor and applying corrections with a 39-actuator deformable mirror. The distributed architecture utilizes SPARC AXi computers running Solaris to perform real-time image processing of sensor data and PowerPC-based computers running VxWorks to compute mirror commands. A single pair of SPARC and PowerPC processors accomplishes wavefront control for a group of eight beams. The software design uses proven adaptive optic control algorithms that are implemented in a multi-tasking environment to economically control the beam wavefronts in parallel. Prototype tests have achieved a closed-loop residual error of 0.03 waves rms.

研究の動機と目的

• 国立慣性核融合施設（NIF）における192本のレーザー光ビームに対して、50 µm rms未塔の指向精度を達成すること。
• 高エネルギーのレーザー光ビームにおけるガス密度の変動およびフラッシュランプに起因する熱歪みによって生じる波面歪みを補正すること。
• 0.351-µmの1.8 MJの光を600-µmの標的体積に焦点化するための最適なビーム品質を維持すること。
• 複数のビームにわたる並列波面補正が可能なスケーラブルでリアルタイムの制御システムを実装すること。

提案手法

• 1本のビームあたり10 Hzでリアルタイムに波面歪みを測定する77レンズレット・ハートマン波面センサ。
• 測定された波面誤差を補正するために動的補正を施す39アクトレータの可変ミラー。
• 画像処理にSPARC AXiコンピュータ（Solaris）を、ミラー制御指令の計算にPowerPCベースのシステム（VxWorks）を用いる分散型コンピューティングアーキテクチャ。
• 1つのSPARC/PowerPCペアが8本のレーザー光ビームのグループを制御。
• マルチタスク環境に実装されたアダプティブオプティクス制御アルゴリズムにより、並列的でリアルタイムの補正を実現。
• 各レーザー発射の直前に静的熱歪み補正を適用し、フラッシュランプに起因する歪みを事前に補正。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NIFにおける高出力レーザー光ビームに対して、ガス密度の変動に起因する波面歪みをどのようにリアルタイムで効果的に補正できるか？
• RQ2 192本のレーザー光ビームにわたるスケーラブルで並列的な波面補正を実現するための制御アーキテクチャは何か？
• RQ3 クローズドループのハートマンセンシングと可変ミラー補正を用いることで、どの程度の残余波面誤差を達成できるか？
• RQ4 フラッシュランプに起因する静的熱歪みをどのように事前補正することで、レーザー発射前のビーム品質を向上できるか？
• RQ5 標準的なコンピューティングプラットフォームを用いた分散型リアルタイム制御システムで、どの程度の性能が達成可能か？

主な発見

• 波面制御システムは、プロトタイプテストにおいてクローズドループの残余波面誤差が0.03波長（rms）に抑えられた。
• 1本のビームあたり10 Hzのリアルタイム補正により、標的に50 µm rmsの精度で正確なビーム指向が実現された。
• 分散アーキテクチャは、1つのビームグループあたり1つのSPARC/PowerPCプロセッサペアを用いて、複数のビームの波面制御に成功した。
• 静的熱歪み補正は、レーザー発射前のビーム品質を顕著に向上させた。
• マルチタスク環境に実装された実績のあるアダプティブオプティクスアルゴリズムにより、コスト効率の高い並列的ビーム波面制御が可能になった。
• 本システムは、0.351-µmの1.8 MJの光を600-µmの標的体積に焦点化するというNIFの目標を満たすのに十分な性能を示した。