CN101231383B - 用于啁啾脉冲放大的自准直凹面调制光谱调制整形装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于啁啾脉冲放大(CPA)系统的自准直凹面调制光谱调制整形装置。包括自准直凹面调制CTSI光谱分解系统，CTSI光谱合成系统和凹面光谱调制反射镜构成的光谱调制系统；利用CTSI光谱分解系统先将激光啁啾脉冲完全真实展开到光谱面，再利用光谱调制系统在像平面上进行光谱调制，然后利用CTSI光谱合成系统将调制后的光谱无畸变的还原为调制后的啁啾脉冲，达到光谱调制整形目的。本发明采用自准直调制系统经原路返回，所用光学元件少，具有结构紧凑，占用空间少，价格较低，稳定性强等特点；本发明可对一般激光脉冲实现光谱调制和光谱整形，尤其适用于几个纳米带宽的大口径大能量高功率CPA系统。

Description

用于啁啾脉冲放大的自准直凹面调制光谱调制整形装置

技术领域

本发明涉及一种用于激光脉冲放大(CPA)系统的光谱调制整形装置，特别涉及一种用于大能量高功率激光啁啾脉冲放大系统的自准直凹面调制光谱调制整形装置，属于工程光学应用技术领域。

背景技术

在超短超强高功率激光技术中，许多因素限制了激光系统输出功率的进一步提高，其中固体激光介质的增益窄化和增益饱和效应是一个较为棘手的问题。增益窄化效应是由于放大介质原子发射线有限宽，由于频率牵引效应，从而使输出脉冲的频谱变窄，这不但会导致脉冲波形的畸变，而且还会使脉冲很难压回到原来的宽度。而增益饱和效应是导致啁啾脉冲产生畸变的另一个重要原因，它是由于脉冲前沿消耗了放大介质的反转粒子数，导致放大脉冲前沿的光强放大倍数大于后沿的光强放大倍数，从而使放大脉冲的波形前后沿不对称，因此使放大脉冲得不到有效的放大，并使脉冲的频谱产生红移，引起脉冲畸变。在实际工作中，为了补偿CPA过程中产生的增益窄化和增益饱和效应以及提高高功率激光输出脉冲信噪比(SNR)参数，需要利用光谱整形装置使放大前的脉冲光谱分布的中心波长附近出现一定形状和大小的凹陷。在惯性约束核聚变(ICF)研究中，其物理实验对高功率激光输出的脉冲参数要求非常苛刻，而且在神光I I千焦拍瓦高功率放大系统设计中，人们更加关心调制其相应的脉冲时空特性和光谱特性，其中对啁啾脉冲进行光谱调制和光谱整形，目的主要是尽量消除CPA过程中增益窄化效益和增益饱和效应的影响，同时力图提高高功率激光光束输出的SNR参数。如文献：[楚晓亮，张彬，蔡邦维等，“啁啾脉冲多程放大及其逆问题的研究”，《物理学报》，54(10)，2005，10，4696-4701]；[张彬，吕百达，“多级和多程脉冲激光放大器的逆问题”，《中国激光》，1997，24(6)，495-500]；[王韬，范滇元，“高功率激光放大器脉冲的整形设计”，《强激光与粒子数》，1999，11(2)，139-142]；[黄小军，魏晓峰，彭翰生等，“百太瓦级超短脉冲激光装置研制”，2004’四川光电子学会议。]

同样由上述文献还可知国际通用方法中使用的光谱整形装置主要存在以下缺点：1、在再生放大器中加入可调谐空气隙标准具来调整光谱的装置，但这种调整较复杂，而且在神光II千焦拍瓦高功率放大系统中用光参量啁啾脉冲放大技术(OPCPA)替代了再生放大器，因而不适用。2、使信号光源中心波长蓝移，即相对于增益介质中心波长蓝移，并且使长波长方向有较长的脉冲沿，直接调整光谱的装置。但是这种装置对超过太瓦级(10¹²)的系统不实用。3、长波长注入法，使增益窄化效益来补偿饱和效应的影响的装置，但这种装置又影响到系统的稳定性。4、采用可编程声光色散滤波器(AOPDF)的装置，虽然能提供较大的增益补偿能力和较大的色散补偿范围。如中国工程物理研究院在国内首次引进AOPDF，并成功用于星光百太瓦装置。但是这种装置的AOPDF的色分辨率仅能用于钛宝石这样的宽带啁啾脉冲系统，对于钕玻璃系统不适用。

同时注意到在大能量高功率条件下，透射介质如滤光片和双折射晶体，或有机选择元件如铰链型有机聚合物调制均不适用，如文献所述：[朱鹏飞，杨镜新，薛绍林，李美荣，林尊琪，“超短脉冲的光谱整形”，中国激光，30(12)，2003，1075：1078]；[冷雨欣；林礼煌；徐至展，“掺钛蓝宝石再生放大器的光谱整形”，光学学报，22(2)，2002’170：174]；以及专利号ZL200410025678.1和专利号ZL200410024684.5的专利。

目前用于光谱整形的透射方法的装置有：1.利用干涉滤光片选择透射的装置。但是这种装置存在原理和工程技术上的困难，原理上易造成相位副作用，工程上由于目前的镀膜工艺水平限制，滤波带设计在十几个纳米时，就无法有效控制透射率曲线的带宽和中心凹陷的程度。而且光谱调制对入射角精度要求高，且缺乏灵活性。2.利用双折射率晶体组合镜中寻常光和非常光干涉产生选择透射的装置。但是这种装置存在原理和工程上的困难，一是透射式元件，会对通过它的激光产生副作用，例如引起法布里-伯罗效应、相位畸变等；二是双折射晶体的厚度取决于待整形激光光束的光谱宽度，激光的光谱越窄，要求晶体的厚度越厚。例如对13nm的超短脉冲整形，要求双折射晶体的厚度为25毫米，而双折射晶体不可能做的很大。3.采用铰链型有机聚合物波导或经电晕极化具有光电效应的有机聚合物波导实现选择反射的装置，但是这种装置对于大能量高功率激光系统不适用。

发明内容

本发明的目的正是针对上述所述现有技术中所存在的缺陷，提出一种用于大能量高功率激光啁啾脉冲放大(CPA)系统的自准直凹面调制光谱调制整形装置，该装置包括改进的切尔尼-特纳光谱仪器系统(Czerny-Turner Spectrum Instrument，简称CTSI系统)，即该装置包括自准直凹面调制CTSI光谱分解系统与CTSI光谱合成系统，包括自准直凹面光谱调制反射镜构成的光谱调制系统，利用CTSI光谱分解系统先将啁啾脉冲完全真实展开到光谱面，再利用光谱调制系统在像平面上进行光谱调制，然后利用CTSI光谱合成系统将调制后的光谱无畸变的还原为调制后的啁啾脉冲，达到光谱调制整形目的。本发明克服了常规光谱调制整形装置要么是对超过太瓦级的系统不适用、要么是对钕玻璃系统等窄带系统不适用的问题；本发明可对一般激光光束实现光谱调制和光谱整形，尤其适用于几个纳米带宽的大能量高功率CPA系统。本装置采用自准直排布尺寸较小的凹面反射镜，故具有结构紧凑，占用空间少，稳定性强等特点；可以插入到放大器链路的任何地方；色散分辨本领可以达一埃，幅度调制在保证相位不变的条件下超过60％，可应用在PW装置上。

为实现本发明的目的，本发明采用由以下措施构成的技术方案来实现的：

本发明用于啁啾脉冲放大的自准直凹面调制光谱调制整形装置，其特征在于，按照设计光路顺序描述：包括第一分光棱镜，第二分光棱镜，和1/4波片；包括由第一凹面反射镜，第一光阑和第二凹面反射镜构成照明系统；进一步包括由第一光阑，第二凹面反射镜，光栅，第三凹面反射镜及凹面光谱调制反射镜构成的自准直凹面光谱调制CTSI光谱分解系统；由凹面光谱调制反射镜构成的光谱调制系统；由凹面光谱调制反射镜，第三凹面反射镜，光栅，第二凹面反射镜及第一光阑构成的自准直凹面光谱调制CTSI光谱合成系统；来自CPA前端的激光光束经第一分光棱镜起偏，通过1/4波片及第一凹面反射镜，再经第一凹面反射镜变为平行光束，由上述光谱分解系统，光谱调制系统及光谱合成系统完成光谱分解、光谱调制及光谱合成的啁啾脉冲通过1/4波片后，偏振旋转90度，在第一分光棱镜处全反射到第二分光棱镜起偏，然后输入到后级固体放大介质中放大。

上述技术方案中，所述光栅采用可逆反射式定向平面闪耀光栅；

上述技术方案中，所有凹面反射镜均要求在整个工作波段内严格消除色差、球差，彗差，像散和场曲，使谱像面对于凹面光谱调制反射镜表面的最大偏离小于按瑞利准则导出的半焦深容限。

上述技术方案中，所述由凹面光谱调制反射镜反射原路返回构成自准直光路系统。

上述技术方案中，所述光学元件全部选用相对色散元件成对称型的成像系统，或者相对色散元件成不对称补偿像差的成像系统。

上述技术方案中，所述第一光阑为实共焦望远镜像传递照明系统的光阑；所述照明系统在保证正常宽度要求的相干同相入射的条件下，不改变来自CPA前端的激光束的时间和空间分布，与色散系统和成像系统的相对孔径匹配，且保证通光口径能充满色散系统的口径；同时第一光阑采用孔径光阑，应满足孔径的正常宽度a₀条件，或满足CTSI光谱分解系统和CTSI光谱合成系统能达到衍射半宽度a₀条件，同时应满足通过激光啁啾脉冲带宽内所有频谱的光。

上述技术方案中，所述凹面光谱调制反射镜采用多层介质膜微浮雕结构的凹面光谱调制反射镜；或微镜结构凹面反射镜；或凹面液晶光阀；或前加变栅距光栅的凹面反射镜；或前加液晶空间光调制器的凹面反射镜；或微机电薄膜凹面反射镜MIMS；或连续变形凹面反射镜；或Bimorph凹面变形镜；或棱镜/波导耦合凹面反射镜；或变栅距光栅凹面反射镜。

上述技术方案中，所述第一分光棱镜与第二分光棱镜位置相互垂直。

上述技术方案中，所述CTSI光谱分解系统和CTSI光谱合成系统中的凹面反射镜相对色散元件呈反射式水平成像光谱系统，或呈反射式垂直成像光谱系统。

上述技术方案中，所述CTSI光谱分解系统与CTSI光谱合成系统相对光谱调制反射镜呈反射式水平成像光谱调制系统，或呈反射式垂直成像光谱调制系统。

本发明用于啁啾脉冲放大的自准直凹面光调制谱调制整形装置其基本思想是：针对激光光谱，利用自准直凹面调制CTSI光谱分解系统将激光啁啾脉冲完全真实展开到光谱面，利用自准直凹面调制光谱调制系统在像平面上进行光谱调制，然后利用自准直凹面调制CTSI光谱合成系统将调制后的光谱无畸变的还原为调制后的啁啾脉冲，达到光谱调制整形目的。利用改进了的切尔尼-特纳光谱系统，本发明实施例采用多层介质膜微浮雕结构的凹面光谱调制反射镜，来实现对CPA系统中啁啾脉冲的光谱调制和光谱整形。由于利用改进了的切尔尼-特纳光谱分光系统及光谱合成系统，使光谱调制具有调整灵活性。还选择可在大口径大能量条件下工作的可逆反射式定向平面闪耀光栅。选择合理的排布结构参数，准直系统和成像系统的物镜均选择凹面反射镜，并且都要严格校正球差和慧差，使谱面对于调制镜平面的最大偏离小于按瑞利(Rayliegh)准则导出的半焦深容限，从装置的型式上即对应色散元件和二个作为物镜的凹面反射镜的相对位置的设置来减小像散。多层介质膜微浮雕结构光谱调制反射镜可以做到在中心光谱附近实现一定形状和大小的幅度凹陷而相位保持不变(见专利申请号200710049516.5和200720080292.X的专利申请)。

本发明用于啁啾脉冲放大的自准直凹面光谱调制整形装置中，光学元件全部选用反射元件，其理由是：一是本装置工作在大能量高功率激光啁啾脉冲条件下，只有反射元件才适合；二是反射元件没有色差的问题，不会引起附加光谱调制，用在光栅式光谱调制整形装置中便于获得平直的光谱面；三是更换不同的反射膜可以工作在几乎所有的激光波段范围，尤其对红外，近红外激光非常重要，因为在远红外区和远紫外区没有合适的光学材料可制造透镜。装置中光学元件全部选用相对色散元件成对称成像系统，其理由是：一是这样的系统可以将彗差减小为零，二是在色散元件成对称系统中容易补偿色散为零。由于本发明是激光光谱分解和合成，为提高集光本领，本装置中光阑采用像传递望远镜系统小孔代替一般系统的狭缝。

在实际工作中，为了补偿CPA过程中产生的增益窄化和增益饱和效应以及提高输出脉冲信噪比(SNR)参数，需要利用光谱整形装置使放大前的脉冲光谱分布中心波长附近出现一定形状和大小的凹陷。本发明采用多层介质膜微浮雕结构凹面光谱调制反射镜，通过选择不同的膜系结构参数可得到不同的多层介质反射镜的反射率曲线和相应的光谱整形效果。从而可补偿CPA过程中产生的增益窄化和增益饱和效应。

本发明与现有技术相比具有如下有益的效果和优点：

1.本发明装置采用改进的CTSI系统，同时采用多层介质膜微浮雕结构凹面光谱调制反射镜，将激光啁啾脉冲分解、调制、再合成的方法，解决了长期悬而未决的国际通用方法要么是对超过太瓦的系统不实用、要么是对于钕玻璃系统等窄带系统不适用的问题。

2.本发明装置采用了可在大口径大能量条件下工作的可逆反射式定向平面闪耀光栅色散系统，解决了AOPDF的色分辨率仅能用于钛宝石这样的宽带啁啾脉冲系统，对于钕玻璃系统不适用的问题。

3.本发明装置采用改进的CTSI系统，同时采用多层介质膜微浮雕结构凹面光谱调制反射镜，用于激光啁啾脉冲放大光谱分解、整形调制和光谱合成，解决了大能量高功率啁啾脉冲放大链路谱整形要求的装置设计问题；由于装置中光路呈自准直系统，谱面中央的彗差和象散都可以减小到忽略不计的程度、边缘的象差也可减少到理想的程度；由于使用凹面反射镜作为准直物镜和摄谱物镜，不产生色差，谱面平直。

4.本发明的光谱调制整形装置通用性强，不仅适用于钕玻璃系统，也适用于钛宝石系统；如果使光栅绕通过光栅刻划面的垂轴转动，就可很方便地改变调制光谱范围，同时可以作摄谱仪器，无需附加调焦，使用很方便。

5.本发明采用可逆反射式定向平面闪耀光栅，采用凹面光谱调制反射镜反射原路返回构成自准直光路系统，使装置光学元件减少，结构简单，易调试。

6.本发明装置的CTSI系统中使用的凹面反射镜尺寸较小，容易加工，具有装置结构较紧凑，占用空间少，制造价格较便宜等特点；解决了国际通用方法中要么要求复杂的结构、要么要求比较昂贵的先进设备的问题。

7.本发明装置中采用多层介质膜微浮雕结构光谱调制反射镜，同时采用了可在大口径大能量条件下工作的反射式定向平面闪耀光栅，解决了大口径光束反射光强的调制问题，且可以使其工作在高功率条件下，因此该装置可以插入到放大器链路的任何地方。

8.本发明装置采用多层介质膜微浮雕结构平面光谱调制反射镜，解决了啁啾脉冲放大(CAP)中要求反射光相位一致的问题，且相对幅度调制在保证相位不变的条件下超过60％。

9.本发明装置不仅可以应用于ICF激光驱动器追求研制高功率固体激光器的谱调整，而且可对一般激光脉冲实现光谱调制和光谱整形，尤其适用于几个纳米带宽的大口径大能量高功率CPA系统。

10.本发明采用实共焦望远镜系统作为照明系统，具有在保证正常宽度要求的相干和同相的入射前提下，不改变输入种子激光光束的时间和空间分布，聚光本领大，与色散系统和成像系统的相对孔径一致匹配，且保证通光口径能充满色散系统的口径等特点。

附图说明

图1本发明自准直凹面光谱调制CTSI系统光谱调制整形装置结构示意图；

图2本发明图1装置实施例1水平空间排布正面图；

图3本发明图1装置垂直空间排布结构侧面图；

图4本发明图1装置实施例2垂直空间排布正面图；

图5本发明图1装置实施例3垂直空间排布正面图；

图6本发明图1装置实施例4垂直空间排布正面图；

图7本发明图1装置实施例5垂直空间排布正面图；

图8本发明经凹面光谱调制反射镜调制后的光谱特性分布曲线图；

图9本发明经自准直凹面光谱调制CTSI系统光谱调制整形装置调制后目标脉冲波形。

图中：0-CPA前端；1-第一凹面反射镜；6-第一光阑；2-第二凹面反射镜；3-光栅；4-第三凹面反射镜；5′-凹面光谱调制反射镜；7-1/4波片；8-第一分光棱镜；9-第二分光棱镜；0’-后级固体放大介质。

具体实施方式

下面结合附图、工作原理，并通过具体实施例对本发明作进一步的详细说明，但它仅用于说明本发明的一些具体的实施方式，而不应理解为对本发明保护范围的限定。

以下对本发明的自准直凹面调制光谱调制整形装置中各系统的基本原理进行描述：

一、光谱分解系统：

1、照明系统

照明系统是用来尽可能多的汇聚光源射出的光能量，并传递给准直系统。针对来自CPA前端0的种子脉冲，本发明采用由第一凹面反射镜1和第二凹面反射镜2构成的实共焦望远镜系统的像传递系统来照明，具有在保证正常宽度要求的相干同相入射的前提下，不改变输入种子激光光束的时间和空间分布，聚光本领大，与色散系统和成像系统的相对孔径相匹配，且保证通光口径能充满色散系统的口径等特点。

2、准直系统

本发明中光栅作为光谱分光和光谱合成元件均工作在平行光束中，因此，需要凹面反射镜变换。按照光路顺序，从装置的输入孔径光阑第一光阑6出射的光由第二凹面反射镜2变换为平行光束后照射到光栅3面上，构成准直系统。一般的准直系统是由入射狭缝和准直物镜组成，入射狭缝位于准直物镜的焦平面上。本发明由于采用激光照明，用像传递系统聚焦孔径光阑代替了入射狭缝。对于准直系统后面的系统而言，这一光阑的孔径成为替代的实际的光源，限制着进入系统的光束。

3、色散系统

色散系统的作用是将入射的复合光分解为光谱。由于光谱棱镜色散率太小，而且存在固有的谱面倾斜和畸变，故在啁啾脉冲放大(CPA)光谱整形系统中不选。多光束干涉如法布里-珀罗、陆木-盖克平行板色散分辨率高，但由于不可闪耀，不能工作在大能量下，且光路不可逆，故不选。凹面光栅，光路简单，但是由于制造困难，而且许可有效面积小，像质差、像散大，同时线色散率不均匀，故不选。光谱滤光片由于是透射元件，不能工作在大能量条件下，而且有相位副作用，故不选。阶梯光栅元件分辨率极高，但加工极其困难，而且自由光谱范围非常狭小，故不选。因而本发明选择了可在大口径大能量条件下工作的反射式定向平面闪耀光栅。

(1)分解光谱光栅分解原理

根据光线在主截面内入射和衍射可得相邻两光线干涉极大值的条件确定的光栅方程式：

d₁(sinα₁+sinβ₁)＝m₁λ                (1)

式中，α₁为分解光谱光栅入射角；β₁为分解光谱光栅衍射角；d₁为分解光谱光栅刻痕间距，通常称为光栅常数；m₁为光谱级次，为整数；λ为波长，可改写上式为：

${\mathrm{\β}}_1\left(\mathrm{\λ}\right)=\arcsin (\frac{m_1\mathrm{\λ}}{d_1}-\sin {\mathrm{\α}}_1)---\left(2\right)$

由式(2)明显地看出，当光栅的光栅常数d₁及入射角α₁一定时，除零级外，在确定的光谱级次m₁中，波长λ愈长的光束衍射角愈大。这样，不同波长的同一级主最大，自零级开始向左右两侧按波长次序由短波向长波散开。在实际的光栅衍射图样中，由于总的刻线数目很大，所以主最大对应的角宽度很小，在光栅后面的成像物镜焦面上就形成非常明锐的细亮线——谱线。

(2)合成光谱光栅合成原理

以几何光学描述如下：不同波长的同一级主最大是，自零级开始向左右两侧按波长次序由短波向长波按光谱分布散开的单色光，以各色衍射角β(λ)会聚入射到光栅上，光栅能将它按波长在空间进行光谱合成，这同样是由于多缝衍射和干涉的结果。光栅产生的合成光强，其位置是由各色多级衍射图样中的主最大条件决定的。通常以反射式定向光栅作为光谱合成器件。对于合成光谱光栅，光线在主截面内入射和衍射的光栅方程式同样为：

d₂(sinα₂+sinβ₂)＝m₂λ              (3)

式中，α₂为合成光谱光栅入射角；β₂为合成光谱光栅衍射角；d₂为合成光谱光栅刻痕间距，称为光栅常数；m₂为合成光谱光栅光谱级次，为整数。若不考虑能量损失，即假设全部衍射光以汇聚球面波参与合成时，由(2)式代入(3)式即α₂(λ)＝β₁(λ)方程式变为：

$d_2(\sin \left(\arcsin (\frac{m_1\mathrm{\λ}}{d_1}-\sin {\mathrm{\α}}_1)\right)+\sin {\mathrm{\β}}_2)=m_2\mathrm{\λ}---\left(4\right)$

当d₂＝d₁，且m₂＝m₁时，式(4)为：

sinβ₂＝sinα₁                        (5)

在主值范围(0，π/2)，式(5)为：

β₂＝α₁                             (6)

由式(4)、式(5)和式(6)明显地看出，当一束汇聚的各单色光以各色衍射角 ${\mathrm{\β}}_1\left(\mathrm{\λ}\right)=\arcsin (\frac{\mathrm{m\λ}}{d}-\sin {\mathrm{\α}}_1)$ 入射到合成光谱光栅上，当合成光谱光栅的光栅常数与分解光谱光栅的光栅常数相同时，即d₂＝d₁，且合成与分解光谱级次相对应，即m₂＝m₁，且光栅工作在闪耀条件下，即主值范围在(0，π/2)，能将光谱按波长在空间进行光谱合成，使各色光出射角β₂(λ)等于光谱分解时的入射角α₁，即各色光出射角为常数。这同样是由于多缝衍射和干涉的结果。通常以光栅集中90％以上能量的第一级衍射光谱的单色光实现光谱合成，光栅产生的合成光强，其位置是由各色多级衍射图样中的主最大条件决定，有β₂＝α₁。因此通常以可逆反射式定向平面闪耀光栅作为光谱合成器件。

以镀金对称双斜坡面刻划反射式定向平面闪耀光栅为例，确定合成光栅几何参数：反射式定向平面闪耀光栅刻痕断面A的几何参数定义为槽面宽度均为b，光栅槽形角为均为t，光栅常数为均为d；根据集中光能量于预定的某一光谱级次的要求，应使所要求的衍射方向和断面A的反射光，即零级主极大方向重合，表示为：

$2\sin t\cos ({\mathrm{\α}}_2\left(\mathrm{\λ}\right)-t)=\frac{\mathrm{m\λ}}{d}---\left(7\right)$

同时根据将光栅的零级主极大方向，置于槽面宽度为b的断面A作为单缝时其第一衍射极小的方向上，也就是下式：

$2\sin t\cos \left({\mathrm{\α}}_2\left(\mathrm{\λ}\right)\right)=\frac{\mathrm{\λ}}{b}---\left(8\right)$

根据式(1)-(6)所确定的光谱级次、波长和入射角，则由式(7)和式(8)可以计算出刻划定向光栅时断面参数(b，d，t)。平面光栅闪耀的一般条件，即付闪耀条件，应满足下式：

$t=\frac{{\mathrm{\α}}_2+{\mathrm{\β}}_2}{2}---\left(9\right)$

式中，t为光栅槽形角，即刻槽面与光栅平面的夹角，或槽面法线n与光栅平面法线n的夹角，也称光栅闪耀角；当光栅工作在利特罗自准直装置下，即α₂＝β₂＝t，即主衍射条件时，有下式：

$\sin 2t=\frac{{\mathrm{\λ}}_B}{b},2\sin t=\frac{{\mathrm{\λ}}_B}{d}---\left(10\right)$

根据上述原理设计的光栅实验测得的结果看，光栅伍德异常与入射光的偏振有关，一般在 $\frac{\mathrm{\&lambda;}}{d}<0.8$ 的波长范围内，且光栅用于自准直装置第一级时发生。因为第一级衍射效率最高，自由光谱宽度最大，通常使用第一级衍射，因此，光栅最好不工作在自准直装置条件下，以消除光栅伍德异常。对非利特罗装置，闪耀方向为：

θ_b＝β₂＝2t-α₂(λ)                    (11)

和付闪耀条件下闪耀波长为：

${\mathrm{\&lambda;}}_b={\mathrm{\&lambda;}}_B\cos \frac{{\mathrm{\&delta;}}_b}{2}={\mathrm{\&lambda;}}_B\cos \left(\frac{{\mathrm{\&beta;}}_2-{\mathrm{\&alpha;}}_2}{2}\right)={\mathrm{\&lambda;}}_B\cos (t-\arcsin (\frac{m_1\mathrm{\&lambda;}}{d_1}-\sin {\mathrm{\&alpha;}}_1))---\left(12\right)$

式中，δ_b为入射光与衍射光的夹角，λ_B，λ_b，分别为闪耀方向和付闪耀条件下闪耀波长。由式(11)和式(12)可见，只要中心波长闪耀，附近的波长也能近似为闪耀输出，只是衍射效率相对降低一点。因此，合成光栅与分解光栅一样，选择对中心波长闪耀的可逆反射式定向平面闪耀光栅。

对于合成光谱光栅的严格波动理论证明为：谱面上光谱分布位置为(-f，y_m)，谱面位于准直物镜的前焦面-f，谱面上光谱单色光垂直位置为y_m，衍射光栅位于准直物镜的后焦面(f，0)。使中心波长位于光轴上，它的-1级干涉主极大与槽面衍射主极大重合，零级干涉主极大刚好落在槽面衍射的+1级零值极小上；使其它波长位于准直物镜光轴的两侧，它们的-1级干涉主极大与中心波长光谱的槽面衍射主极大重合；同时使光栅平面法线与物镜光轴的夹角为衍射光栅槽形角t的一半，d取1μm左右，激光束在近场和远场均能很好地叠加在一起；其输出光束的半角宽度小，光强大，衍射效率高，更能有效地利用入射光能量。这样的频谱合成，可以达到近衍射极限的光束质量，且衍射光栅槽形角t越小，光束半宽度越小。

4、成像系统

成像系统的作用是将空间上色散开的各波长的光束会聚在成像物镜的焦平面上，形成一系列的按波长排列的频谱的单色像。由于被研究的对象不同，其成像有三种情况：线光谱、带光谱或连续光谱。对啁啾脉冲的分解、调制和合成，光谱在啁啾范围内是连续光谱或是一级的带状光谱。

成像系统的另一个作用是矫正彗差和像散。成像系统中球差是无法用调整的办法来消除的，必须在设计系统时，将光学元件校正到象差容限以内。用凹面反射镜作为准直、成像物镜时，为了校正球差可以采用抛物面凹面反射镜。然而彗差则可以将准直和成像两个物镜一起考虑，从装置构型的排布来加以校正，本发明采用色散元件和两个作为物镜的凹面反射镜的相对位置来减小彗差。同样，采用凹面反射镜作为准直物镜和成像物镜时，也无法从选择物镜的结构参数上来减小像散，但可采用装置的型式即色散元件和二个物镜的相对位置的设置减小像散。

二、光谱调制系统：

由凹面光谱调制反射镜5′构成光谱调制系统，由成像镜第三凹面反射镜4成像于凹面光谱调制反射镜，由于凹面光谱调制反射镜采用在凹面反射镜上镀制多层介质膜微浮雕结构的光谱调制反射膜，其宝塔型微浮雕结构外侧为高反射膜系，宝塔型微浮雕结构内侧为增透膜系结构。其中，高反射膜系结构是为了实现对啁啾脉冲经光栅后的衍射光场进行光强调制，从而达到光谱整形目的，而增透膜系宝塔型结构是为了增加光谱调制的灵活性而加入的。宝塔型结构的不同台阶所对应光谱调制反射镜面上的横向空间位置即为利用光谱调制反射镜进行光强调制的空间位置。可以做到在中心光谱附近实现幅度凹陷而相位保持不变，将其反射光强分布调制到所需光谱分布结构，如图8给出了在中心波长附近处进行不同深度光谱调制的结果，图8中，曲线1为输入啁啾脉冲光谱分布；曲线2为光谱整形多层介质微浮雕结构反射镜的反射调制曲线；曲线3为整形后脉冲光谱分布。

本装置由于自准直的特殊性，调制反射光由凹面光谱调制反射镜5′反射经原路返回到第三凹面反射镜4构成自准直系统，同时由于多层介质膜微浮雕结构调制，得到所需要的反射光强分布结构。通过合理设计膜系结构参数和有效控制加工精度，可使放大前的啁啾脉冲经光谱整形多层介质微浮雕结构反射镜反射后，其光谱分布在中心波长附近出现不同调制形状和调制深度的凹陷，如图9所示。

三、光谱合成系统：

由前述合成光谱光栅合成原理可知，不同波长的同一级主最大是，自零级开始向左右两侧，按波长次序由短波向长波按光谱分布散开的单色光，以各色衍射角β(λ)会聚入射到光栅上，光栅能将它按波长在空间进行光谱合成。在光谱合成系统光路上描述如下：凹面光谱调制反射镜5′的出射光作为下一系统的入射光，来自凹面光谱调制反射镜的反射光经准直镜第三凹面反射镜4变换为平行光照射到光栅上，经成像、色散相减和合成，在经成像凹面反射镜第二凹面反射镜成像在出射光阑第一光阑处，至此构成一个完整的光谱合成单元，即CTSI光谱合成系统。

由于光谱合成系统，是以凹面光谱调制反射镜反射后经原路返回的成像系统和色散系统，其特点是光谱合成系统与光谱分解系统成自准直成像系统；并与光谱分解系统一致成色散相减的系统；通常要求各色光线光程差为零，即附加剩余色散为零。本装置设计的CTSI光谱合成系统与CTSI光谱分解系统以凹面光谱调制反射镜反射呈自准直系统结构。

因此，设计CTSI光谱合成系统与CTSI光谱分解系统的结构完全相同、对称，即所述CTSI光谱分解系统与CTSI光谱合成系统的准直、成像系统的焦距相等，横向放大率相等，或者CTSI光谱合成系统与CTSI光谱分解系统结构完全对称，并且以逆向正常光路方向从CTSI光谱合成系统追迹的系统与CTSI光谱分解系统的准直、成像系统的焦距对应相等，横向放大率相等。在所有光阑及其像的宽度相等的条件下，可以使剩余色散相减为零。

四、准直成像系统的象差容限：

在光学设计中应对CTSI光谱合成系统与CTSI光谱分解系统单独完成像差校正，使CTSI光谱合成系统与CTSI光谱分解系统的像差都在容限范围以内，才能保证系统总像差的要求。光学系统象差校正的要求可概括为：1)在整个视场范围内使光谱面平直；2)在整个光谱面上谱线聚焦清晰，谱线轮廓对称；3)沿谱线高度方向强度分布均匀。CTSI光谱合成系统与CTSI光谱分解系统的准直系统是小相对孔径、小视场系统；成像系统则是小相对孔径、中等视场系统。

对象差校正的参数要求则可归纳为：准直系统和成像系统的物镜都要严格校正球差和彗差。根据经验，一般都采用瑞利准则作为象差容限。所谓瑞利(Rayliegh)准则，就是由剩余球差、剩余彗差所产生的最大波象差应当小于λ/4。按照轴向象差和波象差的关系，可以得到凹面反射镜的球差和彗差的容限如下：

轴向球差：

${\mathrm{LA}}^{\&prime;}\&le;\frac{8}{3}\mathrm{\&lambda;}\left(\frac{f^{\&prime;}}{D}\right)---\left(13\right)$

偏离正弦条件：

${\mathrm{OSC}}^{\&prime;}\&le;\frac{\mathrm{\&lambda;}}{\mathrm{nl}}\left(\frac{f^{\&prime;}}{D}\right)---\left(14\right)$

式中，D为有效光阑孔径，就是色散元件的有效宽度；f′为物镜的焦距；λ为选定的光线波长；l为边缘主光线或边缘谱线到光轴的距离。

在本发明装置中都是采用凹面反射镜作为准直物镜和成像物镜，不能组合以校正球差。需要分别消除球差时，可采用非球面镜。但是因为抛物面镜的初级彗差比球面镜的大，多数用球面镜。如果装置中只能采用球面镜时，则只能控制相对孔径来使球差的弥散圆直径小于孔径的正常宽度容限a₀。而彗差则可以两个物镜一起考虑，本发明是通过改进的CTSI系统并通过控制相对孔径可将彗差校正到趋近于零。

校直光谱面：使谱面对于光谱调制反射镜面的最大偏离小于按瑞利(Rayliegh)准则导出的半焦深容限：

$\frac{1}{2}\mathrm{\&Delta;F}\&le;2\mathrm{\&lambda;}{\left(\frac{f^{\&prime;}}{D}\right)}^2---\left(15\right)$

式中，ΔF为焦深，通常准直和成像系统的色差对谱面的弯曲起着决定性的作用。一般可使用准直和成像系统物镜的色差和子午场曲相互补偿的方法来获得平直的谱面。但是本发明中，因为光栅的横向放大率随波长的变化不大，不能采用上述相互补偿的方法。因此两个系统的物镜都要严格消色差，为此本发明采用凹面反射镜作为准直和成像系统物镜。

五、系统装置的构型

CTSI光谱分解系统与CTSI光谱合成系统中色散元件、反射镜、光阑和它的几何像的中心均置于水平面内，即反射式水平成像光谱系统结构，而色散元件、反射镜、光阑和它的几何像的中心均置于垂直平面内，即反射式垂直成像光谱系统结构。CTSI光谱分解系统与CTSI光谱合成系统相对光谱调制反射镜呈水平对称，定义为反射式水平成像光谱调制系统。CTSI光谱分解系统与CTSI光谱合成系统相对光谱调制反射镜呈垂直对称，定义为反射式垂直成像光谱调制系统。由于光谱调制反射镜水平方向要产生寄生衍射，而垂直方向相当于平面镜反射，因此我们选择反射式垂直成像光谱调制系统结构。但是当调制反射镜调制台阶结构的宽度是中心波长的十倍以上时，光谱调制反射镜水平方向产生的寄生衍射小到观察不到，此时反射式水平成像光谱调制系统可以使用。具体装置的构型由装置安放的空间环境以及成像质量要求来决定。

实施例1：

本实施例中，光栅3为可在大口径大能量条件下工作的可逆反射式定向平面闪耀光栅；凹面光谱调制反射镜5′为多层介质膜微浮雕结构的凹面光谱调制反射镜；所有凹面反射镜均要严格消除色差、球差，彗差，使谱像面对于凹面光谱调制反射镜表面的最大偏离小于按瑞利准则导出的半焦深容限；第一光阑6为孔径光阑，同时为入射光阑，还为出射光阑。

按图1所示的自准直凹面光谱调制整形装置结构光路图布置好光学元件，本装置结构空间排布为CTSI光谱分解系统与由凹面光谱调制反射镜5′反射后形成的CTSI光谱合成系统中的色散元件、反射镜、光阑和它的几何像的中心均置于水平面内，即本装置呈反射式水平成像光谱调制整形装置结构，如图2所示，装置设计要求、结构空间排布及元件参数如表1所示：

                   表1设计要求、结构空间排布及元件参数

设计要求、结构空间排布	参数
		入射光束口径：正常宽度：线色散分辨率：准直与成像物镜焦距：相对孔径取值：光栅相对准直与成像物镜距离：光栅入射角为利特罗角：光栅入射光束口径：光栅条纹密度：光栅面工作通量：可逆闪耀光栅3尺寸：第一凹面反射镜1：第二凹面反射镜2：第三凹面反射镜4：凹面光谱调制反射镜5′：光谱调制反射镜无剪切带宽：孔径光阑6：第一凹面反射镜1离轴设置中心线夹角∠012：第二凹面反射镜2离轴设置中心线夹角∠123：可逆闪耀光栅3入射光衍射光水平中心线夹角∠234：第三凹面反射镜4离轴设置中心线夹角∠345′：光谱调制反射镜5′入射光衍射光中心线夹角∠45′4：	3mm105.3μm0.1nm/mm3000mm1∶1002550mm66.36385° 30mm1740g/mm0.5J/cm2100mm×50mm×20mm 30mm×40mm，曲率半径为0.6m 292mm×40mm，曲率半径为6m 292mm×40mm，曲率半径为6m440mm×100mm×40mm，曲率半径为6m24nm270.89μm8°8°132.7277°8.7335°0°

自准直凹面调制光谱调制CTSI光谱分解系统，按光路顺序描述如下：来自CPA前端0的激光光束经第一分光棱镜8起偏，以布鲁斯特角入射的p光通过1/4波片7，再通过第一凹面反射镜1和第二凹面反射镜2组成的像传递系统，在第一光阑6处聚焦，第一光阑成为本光谱调制整形装置的输入孔径光阑，光束经第二凹面反射镜2变换后为平行光束照射到可逆反射式定向平面闪耀光栅3面上，构成准直系统。由于采用激光照明这里用像传递系统第一光阑6代替了入射狭缝。对于后面的系统而言，第一光阑6的孔径成为替代的实际的光源，限制着进入凹面光谱调制自准直光谱调制整形装置的光束。由第一光阑6的孔径发出的光束经准直物镜第二凹面反射镜2后变成平行光束投向由光栅3构成的色散系统，接着衍射光经第三凹面反射镜4成像在凹面光谱调制反射镜5′上，至此构成一个完整的CTSI光谱分解系统。CTSI光谱分解系统以光路顺序表示为：6-2-3-4-5′。

自准直凹面调制光谱调制系统，凹面光谱调制反射镜5′采用在凹面反射镜上镀制的高、低折射率交替的微浮雕结构多层介质膜，多层介质膜凹面光谱调制反射镜可以做到在中心光谱附近实现幅度凹陷而相位保持不变。光谱调制系统要求谱像面对于凹面光谱调制反射镜5′表面的最大偏离小于按瑞利(Rayliegh)准则导出的半焦深容限，在凹面光谱调制反射镜5′表面的弥散斑直径2dr′，或是在色散方向的弥散宽度a′小于确定的数值a₀。凹面光谱调制反射镜其反射光强分布则可调制到所需光谱分布结构，如图8所示曲线给出了在中心波长附近处进行不同深度光谱调制的结果，图8中，曲线1为输入啁啾脉冲光谱分布；曲线2为光谱整形多层介质微浮雕结构反射镜的反射调制曲线；曲线3为整形后脉冲光谱分布。

自准直凹面调制光谱调制CTSI光谱合成系统，经凹面光谱调制反射镜5′的调制反射光经原路返回，这样的系统类似自准直成像系统和色散系统。其特点是结构简单、紧凑。而且与利特罗(Littrow)系统不同，反射光通过前面的CTSI光谱分解系统6-2-3-4-5′时，光线传输一致成色散相减的系统。按光路顺序描述如下：来自凹面光谱调制反射镜5′的调制反射光，经原路返回到第三凹面反射镜4，准直到光栅3形成色散相减的结构，光束平行入射到第二凹面反射镜2再聚焦到第一光阑6构成一个完整的CTSI光谱合成系统；CTSI光谱合成系统以光路顺序表示为：5′-4-3-2-6。CTSI光谱合成系统合成后的光束从第一光阑6出射，经第一凹面反射镜1变换为平行光束，完成光谱分解、调制及合成的啁啾脉冲通过1/4波片7后，偏振旋转90度，在第一分光棱镜8处全反射到与第一分光棱镜垂直的第二分光棱镜9起偏，滤掉杂散光后，输入到后级固体放大介质0′中放大。由凹面光谱调制反射镜5′反射的光经原路返回到第三凹面反射镜4，成像到色散系统，呈自准直系统。由于光线原路返回中，可以使剩余色散相减为零。通过自准直凹面光谱调制整形装置调制后得到所需光谱分布结构，如图9所示，在1053nm中心波长附近在保证相位不变的条件下，控制中心凹陷大小形状程度，相对幅度调制超过60％。

本实施例中，所述的凹面光谱调制反射镜5′可以替换为微镜结构凹面反射镜；或凹面液晶光阀；或前加变栅距光栅的凹面反射镜；或前加液晶空间光调制器的凹面反射镜；或微机电薄膜凹面反射镜MIMS；或连续变形凹面反射镜；或Bimorph凹面变形镜；或棱镜/波导耦合凹面反射镜；或变栅距光栅凹面反射镜使用，调制方法与本实例一样，同样可以实现啁啾脉冲光谱调制和光谱整形目的，并得到所需光谱分布结构。

实施例2：

本实施例中，光栅3为可在大口径大能量条件下工作的可逆反射式定向负一级平面闪耀光栅；凹面光谱调制反射镜为多层介质膜微浮雕结构的凹面光谱调制反射镜；所有凹面反射镜均要严格消除色差、球差，彗差，使谱像面对于凹面光谱调制反射镜表面的最大偏离小于按瑞利准则导出的半焦深容限；第一光阑6为孔径光阑，同时为入射光阑，也为出射光阑。

按图1所示的自准直凹面调制光谱调制整形装置结构的光路图布置好光学元件，本装置结构空间排布为CTSI光谱分解系统与由凹面光谱调制反射镜5′反射后形成的CTSI光谱合成系统的色散元件、反射镜、光阑和它的几何像的中心均置于垂直平面内，即本发明装置呈反射式垂直成像光谱调制整形装置结构，如图3和图4所示，装置设计要求、结构空间排布及元件参数如表2所示：

                       表2设计要求、结构空间排布及元件参数

设计要求、结构空间排布	参数
		入射光束口径：正常宽度：线色散分辨率：准直与成像物镜焦距：相对孔径取值：光栅相对准直与成像物镜距离：光栅入射角为利特罗角：光栅入射光束口径：光栅条纹密度：光栅面工作通量：可逆闪耀光栅3尺寸：第一凹面反射镜1：第二凹面反射镜2：第三凹面反射镜4：凹面光谱调制反射镜5′：光谱调制反射镜无剪切带宽：孔径光阑6：第一凹面反射镜1离轴设置中心线夹角∠012水平投影：第一凹面反射镜1离轴设置中心线夹角∠012垂直投影：第二凹面反射镜2离轴设置中心线夹角∠123水平投影：第二凹面反射镜2离轴设置中心线夹角∠123垂直投影：可逆闪耀光栅3入射光衍射光间中心线夹角∠234水平投影：可逆闪耀光栅3入射光衍射光间中心线夹角∠234垂直投影：第三凹面反射镜4离轴设置中心线夹角∠345′水平投影：第三凹面反射镜4离轴设置中心线夹角∠345′垂直投影：光谱调制反射镜5′入射光衍射光中心线夹角∠45′4：	3mm105.3μm0.1nm/mm3000mm1∶1002550mm66.36385°30mm1740g/mm0.5J/cm2100mm×50mm×20mm 30mm×40mm，曲率半径为0.6m292mm×40mm，曲率半径为6m 292mm×40mm，曲率半径为6m440mm×100mm×40mm，曲率半径为6m24nm270.89μm8°6°8°6°0°6°8.7335°6°0°

自准直凹面光谱调制CTSI光谱分解系统，按光路顺序描述如下：来自CPA前端0的激光光束经第一分光棱镜8起偏，以布鲁斯特角入射的p光通过1/4波片7，再通过第一凹面反射镜1和第二凹面反射镜2组成的像传递系统，在第一光阑6处聚焦，第一光阑成为本光谱调制整形装置的输入孔径光阑，光束经第二凹面反射镜2变换后为平行光束照射到光栅3面上，构成准直系统。由于采用激光照明这里用像传递系统第一光阑6代替了入射狭缝。对于后面的系统而言，第一光阑6的孔径成为替代的实际的光源，限制着进入自准直凹面光谱调制整形装置的光束。由第一光阑6的孔径发出的光束经准直物镜第二凹面反射镜2后变成平行光束投向由光栅3构成的色散系统，接着衍射光经第三凹面反射镜4成像在凹面光谱调制反射镜5′上，至此构成一个完整的CTSI光谱分解系统。CTSI光谱分解系统以光路顺序表示为：6-2-3-4-5′。

自准直凹面光谱调制系统，凹面光谱调制反射镜5′采用在凹面反射镜上镀制的高、低折射率交替的微浮雕结构多层介质膜，多层介质膜凹面光谱调制反射镜可以做到在中心光谱附近实现幅度凹陷而相位保持不变。光谱调制系统要求谱像面对于凹面光谱调制反射镜5′表面的最大偏离小于按瑞利(Rayliegh)准则导出的半焦深容限，在凹面光谱调制反射镜5′表面的弥散斑直径2dr′，或是在色散方向的弥散宽度a′小于确定的数值a₀。凹面光谱调制反射镜其反射光强分布则可调制到所需光谱分布结构，如图8所示曲线给出了在中心波长附近处进行不同深度光谱调制的结果，图8中，曲线1为输入啁啾脉冲光谱分布；曲线2为光谱整形多层介质微浮雕结构反射镜的反射调制曲线；曲线3为整形后脉冲光谱分布。

自准直凹面光谱调制CTSI光谱合成系统，经凹面光谱调制反射镜5′的调制反射光经原路返回，这样的系统类似自准直成像系统和色散系统。其特点是结构简单、紧凑。而且与利特罗(Littrow)系统不同，反射光通过前面的CTSI光谱分解系统6-2-3-4-5′时，光线传输一致成色散相减的系统。按光路顺序描述如下：来自凹面光谱调制反射镜5′的调制反射光，经原路返回到第三凹面反射镜4，准直到光栅3形成色散相减的结构，光束平行入射到第二凹面反射镜2再聚焦到第一光阑6构成一个完整的CTSI光谱合成系统；CTSI光谱合成系统以光路顺序表示为：5′-4-3-2-6。CTSI光谱合成系统合成后的光束从第一光阑6出射，经第一凹面反射镜1变换为平行光束，完成光谱分解、调制及合成的啁啾脉冲通过1/4波片7后，偏振旋转90度，在第一分光棱镜8处全反射到与第一分光棱镜垂直的第二分光棱镜9起偏，滤掉杂散光后，输入到后级固体放大介质0′中放大。由凹面光谱调制反射镜5′反射的光经经原路返回到第三凹面反射镜4，成像到色散系统，呈自准直系统。由于光线经原路返回中，可以使剩余色散相减为零。通过自准直凹面光谱调制整形装置调制后得到所需光谱分布结构，如图9所示，在1053nm中心波长附近在保证相位不变的条件下，控制中心凹陷大小形状程度，相对幅度调制超过60％。

本实施例中，所述的凹面光谱调制反射镜5′可以替换为微镜结构凹面反射镜；或凹面液晶光阀；或前加变栅距光栅的凹面反射镜；或前加液晶空间光调制器的凹面反射镜；或微机电薄膜凹面反射镜MIMS；或连续变形凹面反射镜；或Bimorph凹面变形镜；或棱镜/波导耦合凹面反射镜；或变栅距光栅凹面反射镜使用，调制方法与本实例一样，同样可以实现啁啾脉冲光谱调制和光谱整形目的，并得到所需光谱分布结构。

实施例3：

本实施例中，光栅3为可在大口径大能量条件下工作的可逆反射式定向正一级平面闪耀光栅；凹面光谱调制反射镜为多层介质膜微浮雕结构的凹面光谱调制反射镜；所有凹面反射镜均要严格消除色差、球差，彗差，使谱像面对于凹面光谱调制反射镜表面的最大偏离小于按瑞利准则导出的半焦深容限；第一光阑6为孔径光阑，同时为入射光阑，也为出射光阑。

按图1所示的自准直凹面光谱调制整形装置结构的光路图布置好光学元件，本装置结构空间排布为CTSI光谱分解系统与由凹面光谱调制反射镜5′反射后形成的CTSI光谱合成系统的色散元件、反射镜、光阑和它的几何像的中心均置于垂直平面内，即本发明装置呈反射式垂直成像光谱调制整形装置结构，如图3和图5所示，装置设计要求、结构空间排布及元件参数如表2所示：

                      表2设计要求、结构空间排布及元件参数

设计要求、结构空间排布	参数
		入射光束口径：正常宽度：线色散分辨率：准直与成像物镜焦距：相对孔径取值：光栅相对准直与成像物镜距离：光栅入射角为利特罗角：光栅入射光束口径：光栅条纹密度：光栅面工作通量：可逆闪耀光栅3尺寸：第一凹面反射镜1：第二凹面反射镜2：第三凹面反射镜4：凹面光谱调制反射镜5′：光谱调制反射镜无剪切带宽：孔径光阑6：第一凹面反射镜1离轴设置中心线夹角∠012水平投影：第一凹面反射镜1离轴设置中心线夹角∠012垂直投影：第二凹面反射镜2离轴设置中心线夹角∠123水平投影：第二凹面反射镜2离轴设置中心线夹角∠123垂直投影：	3mm105.3μm0.1nm/mm3000mm1∶1002550mm66.36385° 30mm1740g/mm0.5J/cm2100mm×50mm×20mm 30mm×40mm，曲率半径为0.6m292mm×40mm，曲率半径为6m 292mm×40mm，曲率半径为6m440mm×100mm×40mm，曲率半径为6m24nm270.89μm8°6°8°6°

可逆闪耀光栅3入射光衍射光间中心线夹角∠234水平投影：可逆闪耀光栅3入射光衍射光间中心线夹角∠234垂直投影：第三凹面反射镜4离轴设置中心线夹角∠345′水平投影：第三凹面反射镜4离轴设置中心线夹角∠345′垂直投影：光谱调制反射镜5′入射光衍射光中心线夹角∠45′4：

132.7277°6°8.7335°6°0°

自准直凹面光谱调制CTSI光谱分解系统，按光路顺序描述如下：来自CPA前端0的激光光束经第一分光棱镜8起偏，以布鲁斯特角入射的p光通过1/4波片7，再通过第一凹面反射镜1和第二凹面反射镜2组成的像传递系统，在第一光阑6处聚焦，第一光阑成为本光谱调制整形装置的输入孔径光阑，光束经第二凹面反射镜2变换后为平行光束照射到光栅3面上，构成准直系统。由于采用激光照明这里用像传递系统第一光阑6代替了入射狭缝。对于后面的系统而言，第一光阑6的孔径成为替代的实际的光源，限制着进入自准直凹面光谱调制整形装置的光束。由第一光阑6的孔径发出的光束经准直物镜第二凹面反射镜2后变成平行光束投向由光栅3构成的色散系统，接着衍射光经第三凹面反射镜4成像在凹面光谱调制反射镜5′上，至此构成一个完整的CTSI光谱分解系统。CTSI光谱分解系统以光路顺序表示为：6-2-3-4-5′。

自准直凹面光谱调制系统，凹面光谱调制反射镜5′采用在凹面反射镜上镀制的高、低折射率交替的微浮雕结构多层介质膜，多层介质膜凹面光谱调制反射镜可以做到在中心光谱附近实现幅度凹陷而相位保持不变。光谱调制系统要求谱像面对于凹面光谱调制反射镜5′表面的最大偏离小于按瑞利(Rayliegh)准则导出的半焦深容限，在凹面光谱调制反射镜5′表面的弥散斑直径2dr′，或是在色散方向的弥散宽度a′小于确定的数值a₀。凹面光谱调制反射镜其反射光强分布则可调制到所需光谱分布结构，如图8所示曲线给出了在中心波长附近处进行不同深度光谱调制的结果，图8中，曲线1为输入啁啾脉冲光谱分布；曲线2为光谱整形多层介质微浮雕结构反射镜的反射调制曲线；曲线3为整形后脉冲光谱分布。

自准直凹面光谱调制CTSI光谱合成系统，经凹面光谱调制反射镜5′的调制反射光经原路返回，这样的系统类似自准直成像系统和色散系统。其特点是结构简单、紧凑。而且与利特罗(Littrow)系统不同，反射光通过前面的CTSI光谱分解系统6-2-3-4-5′时，光线传输一致成色散相减的系统。按光路顺序描述如下：来自凹面光谱调制反射镜5′的调制反射光，经原路返回到第三凹面反射镜4，准直到光栅3形成色散相减的结构，光束平行入射到第二凹面反射镜2再聚焦到第一光阑6构成一个完整的CTSI光谱合成系统；CTSI光谱合成系统以光路顺序表示为：5′-4-3-2-6。CTSI光谱合成系统合成后的光束从第一光阑6出射，经第一凹面反射镜1变换为平行光束，完成光谱分解、调制及合成的啁啾脉冲通过1/4波片7后，偏振旋转90度，在第一分光棱镜8处全反射到与第一分光棱镜垂直的第二分光棱镜9起偏，滤掉杂散光后，输入到后级固体放大介质0′中放大。由凹面光谱调制反射镜5′反射的光经经原路返回到第三凹面反射镜4，成像到色散系统，呈自准直系统。由于光线经原路返回中，可以使剩余色散相减为零。通过自准直凹面光谱调制整形装置调制后得到所需光谱分布结构，如图9所示，在1053nm中心波长附近在保证相位不变的条件下，控制中心凹陷大小形状程度，相对幅度调制超过60％。

本实施例中，所述的凹面光谱调制反射镜5′可以替换为微镜结构凹面反射镜；或凹面液晶光阀；或前加变栅距光栅的凹面反射镜；或前加液晶空间光调制器的凹面反射镜；或微机电薄膜凹面反射镜MIMS；或连续变形凹面反射镜；或Bimorph凹面变形镜；或棱镜/波导耦合凹面反射镜；或变栅距光栅凹面反射镜使用，调制方法与本实例一样，同样可以实现啁啾脉冲光谱调制和光谱整形目的，并得到所需光谱分布结构。

实施例4：

本实施例中，光栅3为可在大口径大能量条件下工作的可逆反射式定向正一级平面闪耀光栅；凹面光谱调制反射镜为多层介质膜微浮雕结构的凹面光谱调制反射镜；所有凹面反射镜均要严格消除色差、球差，彗差，使谱像面对于凹面光谱调制反射镜表面的最大偏离小于按瑞利准则导出的半焦深容限；第一光阑6为孔径光阑，同时为入射光阑，也为出射光阑。

按图1所示的自准直凹面光谱调制整形装置结构的光路图布置好光学元件，本装置结构空间排布为CTSI光谱分解系统与由凹面光谱调制反射镜5′反射后形成的CTSI光谱合成系统的色散元件、反射镜、光阑和它的几何像的中心均置于垂直平面内，即本发明装置呈反射式垂直成像光谱调制整形装置结构，如图3和如图6所示，装置设计要求、结构空间排布及元件参数如表2所示：

          表2设计要求、结构空间排布及元件参数

设计要求、结构空间排布	参数
		入射光束口径：正常宽度：线色散分辨率：准直与成像物镜焦距：相对孔径取值：光栅相对准直与成像物镜距离：光栅入射角为利特罗角：光栅入射光束口径：光栅条纹密度：光栅面工作通量：可逆闪耀光栅3尺寸：第一凹面反射镜1：第二凹面反射镜2：	3mm105.3μm0.1nm/mm3000mm1∶1002550mm66.36385° 30mm1740g/mm0.5J/cm2100mm×50mm×20mm 30mm×40mm，曲率半径为0.6m 292mm×40mm，曲率半径为6m

第三凹面反射镜4：凹面光谱调制反射镜5′：光谱调制反射镜无剪切带宽：孔径光阑6：第一凹面反射镜1离轴设置中心线夹角∠012水平投影：第一凹面反射镜1离轴设置中心线夹角∠012垂直投影：第二凹面反射镜2离轴设置中心线夹角∠123水平投影：第二凹面反射镜2离轴设置中心线夹角∠123垂直投影：可逆闪耀光栅3入射光衍射光间中心线夹角∠234水平投影：可逆闪耀光栅3入射光衍射光间中心线夹角∠234垂直投影：第三凹面反射镜4离轴设置中心线夹角∠345′水平投影：第三凹面反射镜4离轴设置中心线夹角∠345′垂直投影：光谱调制反射镜5′入射光衍射光中心线夹角∠45′4：

292mm×40mm，曲率半径为6m440mm×100mm×40mm，曲率半径为6m24nm270.89μm8°6°8°6°132.7277°6°8.7335°0°0°

自准直凹面光谱调制CTSI光谱分解系统，按光路顺序描述如下：来自CPA前端0的激光光束经第一分光棱镜8起偏，以布鲁斯特角入射的p光通过1/4波片7，再通过第一凹面反射镜1和第二凹面反射镜2组成的像传递系统，在第一光阑6处聚焦，第一光阑成为本光谱调制整形装置的输入孔径光阑，光束经第二凹面反射镜2变换后为平行光束照射到光栅3面上，构成准直系统。由于采用激光照明这里用像传递系统第一光阑6代替了入射狭缝。对于后面的系统而言，第一光阑6的孔径成为替代的实际的光源，限制着进入自准直凹面光谱调制整形装置的光束。由第一光阑6的孔径发出的光束经准直物镜第二凹面反射镜2后变成平行光束投向由光栅3构成的色散系统，接着衍射光经第三凹面反射镜4成像在凹面光谱调制反射镜5′上，至此构成一个完整的CTSI光谱分解系统。CTSI光谱分解系统以光路顺序表示为：6-2-3-4-5′。

自准直凹面光谱调制系统，凹面光谱调制反射镜5′采用在凹面反射镜上镀制的高、低折射率交替的微浮雕结构多层介质膜，多层介质膜凹面光谱调制反射镜可以做到在中心光谱附近实现幅度凹陷而相位保持不变。光谱调制系统要求谱像面对于凹面光谱调制反射镜5′表面的最大偏离小于按瑞利(Rayliegh)准则导出的半焦深容限，在凹面光谱调制反射镜5′表面的弥散斑直径2dr′，或是在色散方向的弥散宽度a′小于确定的数值a₀。凹面光谱调制反射镜其反射光强分布则可调制到所需光谱分布结构，如图8所示曲线给出了在中心波长附近处进行不同深度光谱调制的结果，图8中，曲线1为输入啁啾脉冲光谱分布；曲线2为光谱整形多层介质微浮雕结构反射镜的反射调制曲线；曲线3为整形后脉冲光谱分布。

自准直凹面光谱调制CTSI光谱合成系统，经凹面光谱调制反射镜5′的调制反射光经原路返回，这样的系统类似自准直成像系统和色散系统。其特点是结构简单、紧凑。而且与利特罗(Littrow)系统不同，反射光通过前面的CTSI光谱分解系统6-2-3-4-5′时，光线传输一致成色散相减的系统。按光路顺序描述如下：来自凹面光谱调制反射镜5′的调制反射光，经原路返回到第三凹面反射镜4，准直到光栅3形成色散相减的结构，光束平行入射到第二凹面反射镜2再聚焦到第一光阑6构成一个完整的CTSI光谱合成系统；CTSI光谱合成系统以光路顺序表示为：5′-4-3-2-6。CTSI光谱合成系统合成后的光束从第一光阑6出射，经第一凹面反射镜1变换为平行光束，完成光谱分解、调制及合成的啁啾脉冲通过1/4波片7后，偏振旋转90度，在第一分光棱镜8处全反射到与第一分光棱镜垂直的第二分光棱镜9起偏，滤掉杂散光后，输入到后级固体放大介质0′中放大。由凹面光谱调制反射镜5′反射的光经经原路返回到第三凹面反射镜4，成像到色散系统，呈自准直系统。由于光线经原路返回中，可以使剩余色散相减为零。通过自准直凹面光谱调制整形装置调制后得到所需光谱分布结构，如图9所示，在1053nm中心波长附近在保证相位不变的条件下，控制中心凹陷大小形状程度，相对幅度调制超过60％。

本实施例中，所述的凹面光谱调制反射镜5′可以替换为微镜结构凹面反射镜；或凹面液晶光阀；或前加变栅距光栅的凹面反射镜；或前加液晶空间光调制器的凹面反射镜；或微机电薄膜凹面反射镜MIMS；或连续变形凹面反射镜；或Bimorph凹面变形镜；或棱镜/波导耦合凹面反射镜；或变栅距光栅凹面反射镜使用，调制方法与本实例一样，同样可以实现啁啾脉冲光谱调制和光谱整形目的，并得到所需光谱分布结构。

实施例5：

本实施例中，光栅3为可在大口径大能量条件下工作的可逆反射式定向负一级平面闪耀光栅；凹面光谱调制反射镜为多层介质膜微浮雕结构的凹面光谱调制反射镜；所有凹面反射镜均要严格消除色差、球差，彗差，使谱像面对于凹面光谱调制反射镜表面的最大偏离小于按瑞利准则导出的半焦深容限；第一光阑6为孔径光阑，同时为入射光阑，也为出射光阑。

按图1所示的自准直凹面光谱调制整形装置结构的光路图布置好光学元件，本装置结构空间排布为CTSI光谱分解系统与由凹面光谱调制反射镜5′反射后形成的CTSI光谱合成系统的色散元件、反射镜、光阑和它的几何像的中心均置于垂直平面内，即本发明装置呈反射式垂直成像光谱调制整形装置结构，如图3和如图7所示，装置设计要求、结构空间排布及元件参数如表2所示：

    表2设计要求、结构空间排布及元件参数

设计要求、结构空间排布	参数
		入射光束口径：正常宽度：线色散分辨率：准直与成像物镜焦距：相对孔径取值：光栅相对准直与成像物镜距离：	3mm105.3μm0.1nm/mm3000mm1∶1002550mm

光栅入射角为利特罗角：光栅入射光束口径：光栅条纹密度：光栅面工作通量：可逆闪耀光栅3尺寸：第一凹面反射镜1：第二凹面反射镜2：第三凹面反射镜4：凹面光谱调制反射镜5′：光谱调制反射镜无剪切带宽：孔径光阑6：第一凹面反射镜1离轴设置中心线夹角∠012水平投影：第一凹面反射镜1离轴设置中心线夹角∠012垂直投影：第二凹面反射镜2离轴设置中心线夹角∠123水平投影：第二凹面反射镜2离轴设置中心线夹角∠123垂直投影：可逆闪耀光栅3入射光衍射光间中心线夹角∠234水平投影：可逆闪耀光栅3入射光衍射光间中心线夹角∠234垂直投影：第三凹面反射镜4离轴设置中心线夹角∠345′水平投影：第三凹面反射镜4离轴设置中心线夹角∠345′垂直投影：光谱调制反射镜5′入射光衍射光中心线夹角∠45′4：

66.36385° 30mm1740g/mm0.5J/cm2100mm×50mm×20mm 30mm×40mm，曲率半径为0.6m 292mm×40mm，曲率半径为6m 292mm×40mm，曲率半径为6m440mm×100mm×40mm，曲率半径为6m24nm270.89μm8°6°8°6°0°6°8.7335°0°0°

自准直凹面光谱调制CTSI光谱分解系统，按光路顺序描述如下：来自CPA前端0的激光光束经第一分光棱镜8起偏，以布鲁斯特角入射的p光通过1/4波片7，再通过第一凹面反射镜1和第二凹面反射镜2组成的像传递系统，在第一光阑6处聚焦，第一光阑成为本光谱调制整形装置的输入孔径光阑，光束经第二凹面反射镜2变换后为平行光束照射到光栅3面上，构成准直系统。由于采用激光照明这里用像传递系统第一光阑6代替了入射狭缝。对于后面的系统而言，第一光阑6的孔径成为替代的实际的光源，限制着进入自准直凹面光谱调制整形装置的光束。由第一光阑6的孔径发出的光束经准直物镜第二凹面反射镜2后变成平行光束投向由光栅3构成的色散系统，接着衍射光经第三凹面反射镜4成像在凹面光谱调制反射镜5′上，至此构成一个完整的CTSI光谱分解系统。CTSI光谱分解系统以光路顺序表示为：6-2-3-4-5′。

自准直凹面光谱调制系统，凹面光谱调制反射镜5′采用在凹面反射镜上镀制的高、低折射率交替的微浮雕结构多层介质膜，多层介质膜凹面光谱调制反射镜可以做到在中心光谱附近实现幅度凹陷而相位保持不变。光谱调制系统要求谱像面对于凹面光谱调制反射镜5′表面的最大偏离小于按瑞利(Rayliegh)准则导出的半焦深容限，在凹面光谱调制反射镜5′表面的弥散斑直径2dr′，或是在色散方向的弥散宽度a′小于确定的数值a₀。凹面光谱调制反射镜其反射光强分布则可调制到所需光谱分布结构，如图8所示曲线给出了在中心波长附近处进行不同深度光谱调制的结果，图8中，曲线1为输入啁啾脉冲光谱分布；曲线2为光谱整形多层介质微浮雕结构反射镜的反射调制曲线；曲线3为整形后脉冲光谱分布。

自准直凹面光谱调制CTSI光谱合成系统，经凹面光谱调制反射镜5′的调制反射光经原路返回，这样的系统类似自准直成像系统和色散系统。其特点是结构简单、紧凑。而且与利特罗(Littrow)系统不同，反射光通过前面的CTSI光谱分解系统6-2-3-4-5′时，光线传输一致成色散相减的系统。按光路顺序描述如下：来自凹面光谱调制反射镜5′的调制反射光，经原路返回到第三凹面反射镜4，准直到光栅3形成色散相减的结构，光束平行入射到第二凹面反射镜2再聚焦到第一光阑6构成一个完整的CTSI光谱合成系统；CTSI光谱合成系统以光路顺序表示为：5′-4-3-2-6。CTSI光谱合成系统合成后的光束从第一光阑6出射，经第一凹面反射镜1变换为平行光束，完成光谱分解、调制及合成的啁啾脉冲通过1/4波片7后，偏振旋转90度，在第一分光棱镜8处全反射到与第一分光棱镜垂直的第二分光棱镜9起偏，滤掉杂散光后，输入到后级固体放大介质0′中放大。由凹面光谱调制反射镜5′反射的光经经原路返回到第三凹面反射镜4，成像到色散系统，呈自准直系统。由于光线经原路返回中，可以使剩余色散相减为零。通过自准直凹面光谱调制整形装置调制后得到所需光谱分布结构，如图9所示，在1053nm中心波长附近在保证相位不变的条件下，控制中心凹陷大小形状程度，相对幅度调制超过60％。

本实施例中，所述的凹面光谱调制反射镜5′可以替换为微镜结构凹面反射镜；或凹面液晶光阀；或前加变栅距光栅的凹面反射镜；或前加液晶空间光调制器的凹面反射镜；或微机电薄膜凹面反射镜MIMS；或连续变形凹面反射镜；或Bimorph凹面变形镜；或棱镜/波导耦合凹面反射镜；或变栅距光栅凹面反射镜使用，调制方法与本实例一样，同样可以实现啁啾脉冲光谱调制和光谱整形目的，并得到所需光谱分布结构。

Claims (10)

1.一种用于啁啾脉冲放大的自准直凹面调制光谱调制整形装置，其特征在于，按照设计光路顺序描述：包括第一分光棱镜(8)，第二分光棱镜(9)，和1/4波片(7)；包括由第一凹面反射镜(1)，第一光阑(6)和第二凹面反射镜(2)构成照明系统；进一步包括由第一光阑(6)，第二凹面反射镜(2)，光栅(3)，第三凹面反射镜(4)及凹面光谱调制反射镜(5′)构成的切尔尼-特纳光谱仪器(CTSI)系统的光谱分解系统；由凹面光谱调制反射镜(5′)构成的光谱调制系统；由凹面光谱调制反射镜(5′)，第三凹面反射镜(4)，光栅(3)，第二凹面反射镜(2)及第一光阑(6)构成的切尔尼-特纳光谱仪器(CTSI)系统的光谱合成系统；来自啁啾脉冲放大(CPA)系统前端(0)的激光光束经第一分光棱镜起偏，通过1/4波片及第一凹面反射镜，经由第一凹面反射镜，第一光阑和第二凹面反射镜变为平行光束，通过上述光谱分解系统，光谱调制系统及光谱合成系统完成光谱分解、光谱调制及光谱合成的啁啾脉冲通过1/4波片后，偏振旋转90度，在第一分光棱镜处全反射到第二分光棱镜起偏，然后输入到后级固体放大介质(0′)中放大。

2.根据权利要求1所述的自准直凹面调制光谱调制整形装置，其特征在于，所述光栅(3)采用可逆反射式定向平面闪耀光栅。

3.根据权利要求1所述的自准直凹面调制光谱调制整形装置，其特征在于，所述凹面反射镜均要求在整个工作波段内严格消除色差、球差，彗差，像散和场曲，使谱像面对于凹面光谱调制反射镜表面的最大偏离小于按瑞利准则导出的半焦深容限。

4.根据权利要求1所述的自准直凹面调制光谱调制整形装置，其特征在于，所述凹面光谱调制反射镜(5′)，使反射光束经原路返回，从而光谱调制整形装置成为自准直光路系统。

5.根据权利要求1所述的自准直凹面调制光谱调制整形装置，其特征在于，装置中的光学元件全部选用相对色散元件成对称型的成像系统，或者相对色散元件成不对称补偿像差的成像系统。

6.根据权利要求1所述的自准直凹面调制光谱调制整形装置，其特征在于，所述第一光阑(6)为实共焦望远镜像传递照明系统的光阑；所述照明系统在保证正常宽度(a₀)要求的相干同相入射的条件下，不改变来自啁啾脉冲放大(CPA)系统前端的激光束的时间和空间分布，与色散系统和成像系统的相对孔径匹配，且保证通光口径能充满色散系统的口径；同时第一光阑(6)采用孔径光阑，应满足孔径的正常宽度(a₀)条件，或满足光谱分解系统和光谱合成系统能达到衍射半宽度(a₀)条件，同时应满足通过激光啁啾脉冲带宽内所有频谱的光。

7.根据权利要求1所述的自准直凹面调制光谱调制整形装置，其特征在于，所述凹面光谱调制反射镜(5′)采用多层介质膜微浮雕结构的凹面光谱调制反射镜；或微镜结构凹面反射镜；或凹面液晶光阀；或前加变栅距光栅的凹面反射镜；或前加液晶空间光调制器的凹面反射镜；或微机电薄膜凹面反射镜；或连续变形凹面反射镜；或Bimorph凹面变形镜；或棱镜/波导耦合凹面反射镜；或变栅距光栅凹面反射镜。

8.根据权利要求1所述的自准直凹面调制光谱调制整形装置，其特征在于，所述第一分光棱镜(8)与第二分光棱镜(9)位置相互垂直。

9.根据权利要求1所述的自准直凹面调制光谱调制整形装置，其特征在于，所述光谱分解系统和光谱合成系统中的凹面反射镜相对色散元件呈反射式水平成像光谱系统，或呈反射式垂直成像光谱系统。

10.根据权利要求1所述的自准直凹面调制光谱调制整形装置，其特征在于，所述光谱分解系统与光谱合成系统相对凹面光谱调制反射镜呈反射式水平成像光谱调制系统，或呈反射式垂直成像光谱调制系统。

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