对强激光装置系统中小尺度自聚焦进行表征及评价的方法与流程

本发明涉及一种在强激光非线性光学领域应用情况下使用的评价方法。更具体地说，本发明涉及一种用在强激光非线性光学领域应用情况下对强激光装置系统中小尺度自聚焦进行表征及评价的方法。
背景技术：
：icf以及其他高能量高密度科学研究对强激光装置的输出能量和功率提出了极高的要求。随着输出能量和功率的提高，由于放大器储能和能量提取有限，装置输出能量受限，而功率的提高会产生非线性效应，导致光学元件损伤，因此装置还面临功率受限。尤其在短脉冲输出时，相同能量下的功率密度更大，非线性效应更明显，功率受限将先于能量受限出现，成为限制装置输出能力的主要原因。功率受限主要来自于非线性小尺度自聚焦带来的光学损伤。在强激光装置中，由于光学元件加工以及表面污染等带来的缺陷、热畸变等因素，光路中不可避免存在噪声，使得光束存在相位调制和振幅调制。这些带有调制的强激光束在光学元件中传输、放大与频率转换时，一旦功率达到非线性效应阈值，原本微小的调制可获得快速的非线性增长，使激光束分裂形成若干强度极高的光束细丝，即发生非线性小尺度自聚焦。这些获得非线性增长的光束细丝强度远超过光束的平均强度，将对光路中的激光介质和光学元件造成损伤，威胁装置的安全运行。因此，对强激光装置光束的非线性小尺度自聚焦程度进行评价，找出小尺度自聚焦快速增长的阈值，明确装置安全运行下的最大输出能力，对于强激光装置的设计、安全运行以及性能提升都具有重要意义。美国的nif装置以及其他很多强激光装置都将b积分限制值来评价强激光束非线性小尺度自聚焦程度。b积分是由介质非线性系数、光强和光束传输距离得来的，由于不同激光装置的光学元件制造水平和环境管理水平不同，所以对于特定装置需要确定其非线性小尺度自聚焦开始快速增长时对应的b积分值。目前已报道的研究表明激光束发生小尺度自聚焦后其近场会发生变化，近场表征量例如对比度、调制度、高阶对比度和psd等在一定程度上表征激光束近场的变化，但这些表征量要么随着b积分增加单调增大，要么依赖经验判断，并无明显的突变点。例如，根据激光束发生小尺度自聚焦后其近场空间频率分布会发生变化，而psd是表征近场空间频率分布的有效方式，但根据psd曲线不能快速判断出小尺度自聚焦的快速发展特点，故可知现有技术中的表征方法多样但复杂，且不能直观地给出小尺度自聚焦的快速发展特点，无法满足评价的需要，不具有优越性。技术实现要素：本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。本发明还有一个目的是提供一种对强激光装置系统中小尺度自聚焦进行评价的方法，其采用一维psd和香农熵的结合，进而提供一种简单、准确、直观的强激光装置激光束小尺度自聚焦快速增长的表征方法。本发明还有一个目的是提供一种基于psd熵对强激光装置系统中小尺度自聚焦进行评价的方法，其通过一维psd和香农熵的结合，提出psd熵的评价方法，即对近场先进行一维psd处理，再将psd曲线进行香农熵计算，通过psd熵曲线出现的拐点确定小尺度自聚焦开始快速增长的阈值，能够更加清晰直观的给出装置中光束小尺度自聚焦开始快速发展对应的b积分，相比于经典的对比度、调制度、psd曲线等评价方法表现出明显的优越性。为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种对强激光装置系统中小尺度自聚焦进行表征的方法，根据激光束发生小尺度自聚焦后其近场空间频率分布会发生变化，所述表征方法包括：s1，采用psd表征量对近场进行频谱分析，以得到对应的psd曲线；s2，依据香农熵的特点，将psd曲线进行香农熵计算，获得对应的psd熵曲线。本发明还提供了一种对强激光装置系统中小尺度自聚焦进行评价的方法，还包括：s3，根据psd熵曲线中出现的拐点，进而确定小尺度自聚焦开始快速增长的阈值。优选的是，其中，在s1中，通过psd表征量对近场进行频谱分析的方式被配置为包括：s11，对相同脉冲下能量逐渐提升的一组光束近场，采用对各空间频率进行分量统计和分析；s12，对近场的低频空间频率进行滤波处理；s13，对滤波后的近场分布采用一维psd做二次计算，以得到对应的psd曲线。优选的是，其中，在s11中，所述一维psd计算公式为：其中，i是光强分布，l是光束口径，表示对i(x,y)进行傅里叶变换。优选的是，其中，s12中，所述滤波的函数为：其中，kf0是控制焦斑轮廓的截止频率，kf1和kf2是选择滤波的频率，m是超高斯阶次。优选的是，其中，在s2中，依据香农熵的特点，将psd曲线进行香农熵计算，对具有l个空间频率分布范围，有m个psd值，分别统计各个频率值出现的概率并记作p1,p2,...,pn，对psd熵作如下定义：其中，pi为第i级空间频率出现的概率；式中li为空间频率等于i的个数，根据香农熵的极值性特点，当空间频率集中在单一频率值时，psd香农熵具有最小值h＝0，当空间频率分布在各个频率值时，psd香农熵具有最大值h＝logl，psd熵随着运行通量的提高，在非线性快速增长后会发生反向变化，即在小尺度自聚焦快速发展时，psd熵具有最小值拐点。优选的是，其中，在s3中，依据psd熵曲线中出现的最小值拐点，进而清晰直观得到强激光装置中光束小尺度自聚焦开始快速发展对应的阈值b积分。优选的是，其中，所述强激光装置被配置为包括相配合的前端系统，放大系统，靶场系统；其中，所述前端系统被配置为采用光纤激光器以产生相应波长的激光；放大系统被配置为用以将前端输出的点光源进行扩束成对应的方光束，并通过相配合的钕玻璃片对激光束进行能量放大，以使放大后的激光束进入靶场系统；靶场系统被配置为将相应波长激光倍频为大口径激光束的倍频晶体，进而通过相配合的聚焦透镜将大口径的激光束聚焦到靶点。本发明至少包括以下有益效果：其一，本发明提供一种对强激光装置系统中小尺度自聚焦进行评价的方法，其采用一维psd和香农熵的结合，进而提供一种简单、准确、直观的强激光装置激光束小尺度自聚焦快速增长的表征方法。其二，本发明还提供一种基于psd熵对强激光装置系统中小尺度自聚焦进行评价的方法，其通过一维psd和香农熵的结合，提出psd熵的评价方法，即对近场先进行一维psd处理，再将psd曲线进行香农熵计算，通过psd熵曲线出现的拐点确定小尺度自聚焦开始快速增长的阈值，能够更加清晰直观的给出装置中光束小尺度自聚焦开始快速发展对应的b积分，相比于经典的对比度、调制度、psd曲线等评价方法表现出明显的优越性。本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。附图说明图1为本发明的一个实施例中为近场强度分布i(x,y)的示意图；图2为本发明的另一个实施例中能量下近场强度分布的一维psd分布的结构示意图；图3为本发明的另一个实施例中psd概率的分布示意图；图4为本发明的另一个实施例中主放段的近场分布示意图；图5为本发明的另一个实施例中与主放段相对应的倍频段近场分布示意图；图6为本发明的另一个实施例中主放段近场的一维psd分布示意图；图7为本发明的另一个实施例中倍频段近场的一维psd分布示意图；图8为本发明的另一个实施例中倍频段滤波函数一维示意图；图9为本发明的另一个实施例中倍频段近场滤波后psd熵曲线示意图。具体实施方式下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。根据本发明的一种对强激光装置系统中小尺度自聚焦进行表征的方法实现形式，即本发明所提出的psd熵，其根据激光束发生小尺度自聚焦后其近场空间频率分布会发生变化，所述表征方法包括：s1，采用psd表征量对近场进行频谱分析，以得到对应的psd曲线，其用于；s2，依据香农熵的特点，将psd曲线进行香农熵计算，获得对应的psd熵曲线，所述的香农熵计算是对空间频率占比(即psd)随着运行通量提高的变化进一步统计计算，香农熵可反映此过程中各空间频率占比的相对变化情况。采用这种方案的psd熵，其采用一维psd和香农熵的结合，进而提供一种简单、准确、直观的强激光装置激光束小尺度自聚焦快速增长的表征方法，具有可实施效果好，直观性强，准确性强的有利之处。一种对强激光装置系统中小尺度自聚焦进行评价的方法实现形式，还包括：s3，根据psd熵曲线中出现的拐点，进而确定小尺度自聚焦开始快速增长的阈值。采用这种方案的评价方法基于表征方法中的psd熵对小尺度自聚焦进行评价，即通过一维psd和香农熵的结合，提出psd熵的评价方法，具体来说，其是对近场先进行一维psd处理，再将psd曲线进行香农熵计算，通过psd熵曲线出现的拐点确定小尺度自聚焦开始快速增长的阈值，能够更加清晰直观的给出装置中光束小尺度自聚焦开始快速发展对应的b积分，相比于经典的对比度、调制度、psd曲线等评价方法表现出明显的优越性。具有可实施效果好，可操作性强，适应性好，直观准确的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。在另一种实例中，在s1中，通过psd表征量对近场进行频谱分析的方式被配置为包括：s11，对相同脉冲下能量逐渐提升的一组光束近场，采用对各空间频率进行分量统计和分析；s12，对近场的低频空间频率进行滤波处理，近场数据预处理，即对近场的低频空间频率进行滤波处理，在较低运行通量下，随着运行通量的增大，中频和高频分量发生变化，然而中频和高频分量相对于低频分量所占份额要小得多。为了使变化的中频和高频分量不被远大得多的低频分量所淹没，需对低频进行部分滤除；s13，对滤波后的近场分布采用一维psd做二次计算，以得到对应的psd曲线。采用这种方案通过对psd表征方式进一步进行限定，以使其符合近场各空间频率运行状态变化，进而表征效果更好稳定，简洁直观，具有可实施效果好，稳定性强，适应性好的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。在另一种实例中，在s11中，所述一维psd计算公式为：其中，i是光强分布，l是光束口径，表示对i(x,y)进行傅里叶变换。图1-2示出了近场强度分布i(x,y)及能量下近场强度分布的一维psd分布无意间图，可知采用这种方案对一维psd的方式进行限定，其表征方式更为简单，可靠，具有可实施效果好，简单有效的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。在另一种实例中，s12中，所述滤波的函数为：其中，kf0是控制焦斑轮廓的截止频率，kf1和kf2是选择滤波的频率，m是超高斯阶次。采用这种方案对滤波的方式进行限定，以使其表征方式简单，可靠，具有可实施效果好，简单有效，稳定性好的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。在另一种实例中，在s2中，依据香农熵的特点，将psd曲线进行香农熵计算，对具有l个空间频率分布范围，有m个psd值，分别统计各个频率值出现的概率并记作p1,p2,...,pn，对psd熵作如下定义：其中，pi为第i级空间频率出现的概率；式中li为空间频率等于i的个数，根据香农熵的极值性特点，当空间频率集中在单一频率值时，psd香农熵具有最小值h＝0，当空间频率分布在各个频率值时，psd香农熵具有最大值h＝logl，psd熵随着运行通量的提高，在非线性快速增长后会发生反向变化，即在小尺度自聚焦快速发展时，psd熵具有最小值拐点。如图3所示psd概率分布示意图所示，在最初运行通量较低，未发生小尺度自聚焦时，低频、中频和高频分量所占比例差距不大，各频率分量对应的概率分布较均等，熵大；随着运行通量的提高，小尺度自聚焦的发展，中频成分获得最多增长，使得各频率分量对应的概率朝相对不均等的方向发展，熵值变小，最后在运行通量很高，小尺度自聚焦十分严重时，高频分量获得最多增长，各频率分量对应的概率分布又朝着相对均等的方向变化，熵变大。因此，在小尺度自聚焦快速发展时，psd熵具有最小值拐点。采用这种方案psd熵随着运行通量的提高，在非线性快速增长后会发生反向变化，能够更加清晰直观的给出装置中光束小尺度自聚焦开始快速发展对应的b积分，相比于经典的对比度、调制度、psd曲线等评价方法表现出明显的优越性，具有可实施效果好，可操作性强，适应性好，稳定性好，准确性高的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。在另一种实例中，在s3中，依据psd熵曲线中出现的最小值拐点，进而清晰直观得到强激光装置中光束小尺度自聚焦开始快速发展对应的阈值b积分。采用这种方案通过psd熵曲线中出现的最小值拐点，清晰直观的给出装置中光束小尺度自聚焦开始快速发展对应的b积分，相比于经典的对比度、调制度、psd曲线等评价方法表现出明显的优越性，具有可实施效果好，可操作性强，简单直观的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。在另一种实例中，所述强激光装置被配置为包括相配合的前端系统，放大系统，靶场系统；其中，所述前端系统被配置为采用光纤激光器以产生相应波长的激光；放大系统被配置为用以将前端输出的点光源进行扩束成对应的方光束，并通过相配合的钕玻璃片对激光束进行能量放大，以使放大后的激光束进入靶场系统；靶场系统被配置为将相应波长激光倍频为大口径激光束的倍频晶体，进而通过相配合的聚焦透镜将大口径的激光束聚焦到靶点。采用这种方案通过对强激光装置的结构设计，使得其符合评价需要，具有更好稳定性、适应性的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。实施例：本发明提供一种更直观的方式评价强激光装置系统小尺度自聚焦快速增长的阈值，具体实现方式是：对强激光装置输出的光束近场分布先进行一维psd处理，再将psd曲线进行香农熵计算，通过psd熵曲线出现的拐点确定小尺度自聚焦开始快速增长的阈值。该方法已在强激光装置平台得到了验证，能准确地表征小尺度自聚焦开始快速增长的拐点，正面以具体的实施例进行充分说明：(1)在强激光装置上逐渐提高运行通量，获得一组近场分布数据。强激光装置由前端系统，放大系统，靶场系统构成。前端系统采用光纤激光器产生波长为1053nm激光；放大系统将前端输出的点光源扩束为360mm×360mm的方光束，并采用钕玻璃片对激光束进行能量放大；放大后的激光束进入靶场系统，靶场系统采用倍频晶体将波长为1053nm的激光束倍频为351nm的激光，然后经聚焦透镜将大口径的激光束聚焦到靶点。随着装置运行通量的提高，采集主放段及倍频段的能量与近场分布。具体实施例中，由于倍频段元件采用拼接获得，近场中间专门对拼接缝进行了遮挡，主放段与倍频段能量及近场分布分别如下表中主放段与倍频段能量及对应b积分值和图3进行示出，主放能量j525249198669124761282014327151991619616749倍频能量j230921574442580663247138750978188405倍频b积分0.780.731.511.972.152.422.552.652.85从实施例近场分布可看出，主放段未发生小尺度自聚焦，而倍频段发生了明显了小尺度自聚焦。(2)对实施例中主放和倍频段光束近场进行一维psd空间频率分析。主放段和倍频段psd频谱分别如图4-5所示，由于主放段未发生小尺度自聚焦，主放段频谱几乎未发生变化，而倍频段的频谱由于小尺度自聚焦的发展发生了明显变化，且主要集中在0.02-0.08mm-1段。(3)对倍频段近场低频部分进行部分滤波处理。由图4可知，为保证产生变化的中频和高频不被大量的低频分量淹没，实施例中对空间频率0.005-0.02mm-1段和大于0.08mm-1段进行滤除，只留部分直通低频与0.02-0.08mm-1段进行psd熵分析。滤波函数一维图如图8所示。(4)对滤波后的倍频段近场做一维psd计算。(5)倍频段滤波后的一维psd曲线进行香农熵计算，获得psd熵曲线。结果如图8-9所示。从psd熵曲线可以看出，倍频段psd熵曲线随着能量增长先下降后上升，并出现最小值拐点。将倍频段能量根据装置光路排布换算为相应的b积分值，psd熵曲线的最小值拐点在b积分约为1.51处出现，与倍频近场出现调制结果一致，与文献报道倍频段b积分受限值δb＝1.5一致。b积分的计算公式为：其中，波长λ＝351nm，熔石英对351nm光的非线性折射率系数n2＝3.6×10-7cm2/gw，i为功率密度，由能量与脉冲波形和近场面积计算所得，z为传输距离。这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的对强激光装置系统中小尺度自聚焦进行表征及评价的方法的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。当前第1页12