[논문 리뷰] The Wavefront Control System for the National Ignition Facility

Lewis Van Atta, Mark Perez외 2명|ArXiv.org|2001. 11. 12.

Ocular and Laser Science Research인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 National Ignition Facility (NIF)를 위한 실시간 웨이브프론트 제어 시스템을 제안하며, 77개 렌스렛으로 구성된 하트먼 센서와 39アク추에이터를 갖춘 변형 거울을 사용하여 정밀한 레이저 빔 집중과 조준을 보장한다. 10 Hz에서의 클로즈드 루프 보정은 잔여 웨이브프론트 오차를 0.03 파장 (rms)으로 줄여, 0.351-µm 파장의 1.8 MJ 빛을 600-µm 타겟에 50 µm rms 조준 정확도로 집중시킨다.

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.

연구 동기 및 목표

• National Ignition Facility (NIF)에서 192개 레이저 빔에 대해 50 µm 이내의 rms 조준 정확도를 달성하기 위해.
• 고에너지 레이저 빔에서 기체 밀도 변화와 플래시램프에 의해 유도되는 열변형으로 인한 웨이브프론트 오차를 보정하기 위해.
• 0.351-µm 파장의 1.8 MJ 빛을 600-µm 타겟 부피에 집중하기 위해 최적의 빔 품질을 유지하기 위해.
• 다중 빔에 걸쳐 병렬 웨이브프론트 보정이 가능한 확장 가능하고 실시간 제어 시스템을 구현하기 위해.

제안 방법

• 10 Hz에서 빔당 실시간으로 웨이브프론트 왜곡을 측정하기 위해 77개 렌스렛으로 구성된 하트먼 웨이브프론트 센서를 사용한다.
• 측정된 웨이브프론트 오차를 보완하기 위해 39-액추에이터를 갖춘 변형 거울을 동적 보정에 적용한다.
• 이미지 처리에는 SPARC AXi 컴퓨터(Solaris)를, 거울 명령 계산에는 PowerPC 기반 시스템(VxWorks)을 사용하는 분산 컴퓨팅 아키텍처를 사용한다.
• 각 SPARC/PowerPC 쌍은 8개의 레이저 빔 그룹에 대한 웨이브프론트 보정을 제어한다.
• 다중 작업 환경에 적응형 광학 제어 알고리즘을 구현하여 병렬 실시간 보정을 가능하게 한다.
• 레이저 샷 직전에 정적 열변형 보정을 적용하여 플래시램프에 의해 유도되는 변형을 사전에 보정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NIF에서 고출력 레이저 빔에 대해 기체 밀도 변화로 인한 웨이브프론트 오차를 실시간으로 효과적으로 보정하는 방법은 무엇인가?
• RQ2 192개 레이저 빔에 걸쳐 확장 가능하고 병렬 웨이브프론트 보정이 가능한 제어 아키텍처는 무엇인가?
• RQ3 클로즈드 루프 하트먼 센싱과 변형 거울 보정을 사용할 경우 도달할 수 있는 잔여 웨이브프론트 오차 수준은 무엇인가?
• RQ4 플래시램프에 의한 정적 열변형을 사전에 보정하여 레이저 샷 이전에 빔 품질을 향상시키는 방법은 무엇인가?
• RQ5 표준 컴퓨팅 플랫폼을 사용하는 분산 실시간 제어 시스템에서 달성 가능한 성능는 무엇인가?

주요 결과

• 웨이브프론트 제어 시스템은 프로토타입 테스트에서 클로즈드 루프 잔여 웨이브프론트 오차 0.03 파장 (rms)을 달성했다.
• 빔당 10 Hz에서의 실시간 보정은 타겟에서 50 µm rms 정확도로 정밀한 빔 조준을 가능하게 했다.
• 분산 아키텍처는 빔 그룹당 하나의 SPARC/PowerPC 프로세서 쌍을 사용하여 다수의 빔에 대한 웨이브프론트 제어를 성공적으로 제어했다.
• 정적 열변형 보정은 레이저 샷 이전에 빔 품질을 크게 향상시켰다.
• 다중 작업 환경에 검증된 적응형 광학 알고리즘을 구현하여 비용 효율적이고 병렬적인 빔 웨이브프론트 제어가 가능했다.
• 시스템은 0.351-µm 파장의 1.8 MJ 빛을 600-µm 타겟 부피에 집중시키는 NIF의 목표를 지원할 수 있는 충분한 성능을 입증했다.