[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出了一套用于国家点火装置（NIF）的实时波前控制系统，利用77个透镜元的夏尔特纳波前传感器和39个促动器的变形镜，实现精确的激光束聚焦与指向控制。在10 Hz的闭环校正下，残余波前误差达到0.03波前均方根（rms），使1.8 MJ的0.351-µm光束能够聚焦至600-µm目标，实现50 µm rms的指向精度。

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.

研究动机与目标

• 在国家点火装置（NIF）实现192束激光的指向精度低于50 µm rms。
• 校正由气体密度变化和闪光灯引起的热畸变导致的波前像差。
• 保持最佳光束质量，以将1.8 MJ的0.351-µm光束聚焦至600-µm目标体积。
• 实现可扩展的、实时的控制系统，能够在多束激光上并行进行波前校正。

提出的方法

• 77个透镜元的夏尔特纳波前传感器以每束10 Hz的速率实时测量波前畸变。
• 39个促动器的变形镜动态应用校正，以补偿测得的波前误差。
• 采用分布式计算架构，使用SPARC AXi计算机（Solaris系统）进行图像处理，使用基于PowerPC的系统（VxWorks系统）进行镜面指令计算。
• 每对SPARC/PowerPC系统负责控制一组八个激光束的波前校正。
• 在多任务环境中实现自适应光学控制算法，以实现并行、实时校正。
• 在每次激光射击前应用静态热畸变补偿，以预先校正闪光灯引起的畸变。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在NIF的高功率激光束中，对气体密度变化引起的波前像差实现实时有效校正？
• RQ2 何种控制架构能够实现192束激光的可扩展、并行波前校正，并达到低于50 µm的指向精度？
• RQ3 通过闭环夏尔特纳波前传感与变形镜校正，可实现的残余波前误差水平是多少？
• RQ4 如何对闪光灯引起的静态热畸变进行预补偿，以提升激光射击前的光束质量？
• RQ5 采用标准计算平台的分布式实时控制系统可实现何种性能？

主要发现

• 波前控制系统在原型测试中实现了0.03波前均方根（rms）的闭环残余波前误差。
• 每束10 Hz的实时校正使光束能够实现目标上50 µm rms的精确指向。
• 分布式架构成功地使用每组八个光束对应一对SPARC/PowerPC处理器，实现了对多束光的波前控制。
• 静态热畸变补偿显著提升了激光射击前的光束质量。
• 在多任务环境中实现成熟自适应光学算法，实现了成本效益高的光束波前并行控制。
• 该系统表现出足够的性能，可支持NIF将1.8 MJ的0.351-µm光束聚焦至600-µm目标体积的目标。