CN102608757B - 提高高能拍瓦激光聚焦功率密度的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种提高高能拍瓦激光聚集功率密度的装置和方法，该装置包括反射镜组、变形镜、扩束系统、压缩器、大口径离轴抛面镜、楔形镜、波前探测器、高分辨率科学CCD、计算机和变形镜高压电源控制器，所述的波前探测器放置在大口径离轴抛面镜焦点后，校正部件小口径变形镜放置在压缩器前的小口径光路中，通过波前探测器和小口径可变形镜组成自适应光学闭合校正环路，对以焦点后球面波前为基准进行测量和校正。本发明利用小口径可变形镜能够有效地校正包括压缩光学元件和聚焦光学元件所引起的波前畸变在内的所有波前畸变，使聚焦焦斑的大小尽可能接近衍射极限，大大提高了激光聚焦的功率密度。本发明具有经济高效，调节简单，工作稳定等优点。

Description

提高高能拍瓦激光聚焦功率密度的装置和方法

技术领域

本发明涉及高能拍瓦激光聚焦功率密度和自适应光学技术，特别是一种提高高能拍瓦激光聚焦功率密度的装置和方法。

背景技术

超短超强激光科学以超短超强激光技术的发展，超短超强激光与物质的相互作用，以及在交叉学科和相关高技术领域中的前沿基础研究为研究对象，是重要的科学前沿领域，是实现极端物理条件，进而揭示物质本质的基础。

自二十世纪八十年代中期以来，高功率超短脉冲激光技术得到了飞速发展，包括我国在内的世界各科技大国相继建立了大型的高功率超短脉冲激光装置。超短超强激光以超高功率密度而著称，而提升靶面峰值功率密度始终是这一领域最主要的追求目标之一，因而可聚焦的功率密度是超短超强激光系统中人们最主要的关注指标。

为提升聚焦功率密度，在系统确定峰值功率的情况下，通过提高光束波前质量以达到减小焦斑尺度，从而提高聚焦功率密度，是一种有效而经济的手段。但在实际的高功率激光系统中，由于放大过程中放大介质所存在的温度梯度效应、非线性效应及众多光学元件的像差等因素，导致动态和静态畸变，使得放大后的激光光束波前不再是理想平面。在聚焦时，导致焦斑尺度大、斯特利尔比值（Strehl ratio）低，从而导致激光能量不能有效地会聚。特别随着激光能量的不断增大，放大级次的不断增多，装置规模的不断升级，这些效应导致的畸变会越来越严重，最终使激光的高能量不能在实验研究中得到有效应用。由此，无论从那方面考虑，提高超强超短脉冲激光的聚焦功率密度都显得尤为重要。利用自适应光学原理改善波前质量是当前提高高能拍瓦激光峰值功率密度的最主要手段。

自适应光学波前校原理如下：利用波前测量装置，如波前剪切干涉仪或哈特曼(S-H）波前测量仪，探测激光系统中聚焦元件之前的输出波前相位分布，并将其与理想波前分布做比较得出波前畸变量。控制系统根据畸变量的大小，将所需的电压加到变形镜压电陶瓷的各个电极上，通过不同电极电压的正负和大小以改变变形镜的面形，从而使得变形镜反射的激光波前相位发生相应的变化。波前探测器和变形镜组成一个自适应光学校正环路，通过多次循环测量和校正使得最终输出波前接近理想波前。校正好的波前再经过聚集元件聚焦，得到接近于衍射极限的焦斑。

现有的利用自适应光学波前校正提高高能激光聚焦峰值功率密度的装置如图2所示，包括扩束系统3、大口径变形镜16、透射率为2%左右的反射镜13、离轴抛面镜6、缩束系统15、波前探测器10、高分辨率科学CCD9、计算机11和变形镜高压电源控制器12。在大型激光系统中，自适应光学校正的目的在于减小光斑聚焦焦斑的大小，提高焦斑的功率密度，因此所选的理想波前一般为理想平面波前，当聚焦元件前的波前质量接近理想平面波前时，其能聚焦的焦点大小也接近理论衍射极限。在实际的应用中，这种方法被实践证明是一种有效的能减小聚焦光斑大小，提高聚焦功率密度的方法，比如加拿大200TW的ALLS激光系统和日本JAERI激光系统都是通过这种方法校正波前畸变，使得聚焦后的光斑接近理论衍射极限，峰值功率达到10²⁰W/cm²，非常有利于极限条件下的物理实验。

上述现有提高高能激光聚焦峰值功率密度的装置的问题是：

首先，传统波前校正装置中的测量仪器位于聚焦元件之前，其参考的理想波前为理想平面波前，以参考平面波前为基准，通过变形镜的波前变化将变形镜出射波前校正为理想平面波前；

其次，由于测量仪器口径的限制，不能直接测量中大光斑的波前，一般都是通过一个缩束成像系统将光斑缩小，和波前探测器的口径相匹配，这就要求缩束成像系统不能引入额外的波前畸变，否则就会影响真实的波前测量；

再次，由于测量的波前在聚焦光学元件甚至压缩光学元件之前，因此即使把测量位置的波前校正为平面波前，并不能保证激光光斑能够聚焦到接近衍射极限，因为光斑在此之后还要经过聚焦元件，聚焦元件自身的加工精度和调节精度不可避免的引入新的波前畸变，使得校正好的波前发生劣化，影响最终的聚焦效果；

最后，该装置中，变形镜放置在光栅后，通常此处的光斑直径很大，对于高能拍瓦系统来说一般大于120mm,也就要求只有大口径的变形镜才能达到波前校正目的，增加了系统的成本。因此，传统的自适应光学波前校正环路要想达到比较好的校正效果，得到接近于衍射极限的焦斑，不仅要利用大口径变形镜把所测位置的光斑校正到理想平面波前，还要精密调节缩束成像系统和聚焦元件，避免引入新的波前畸变以至于影响测量和校正结果。它在提高高能量激光系统聚焦能力的应用中对其它相关器件和调节精度的要求比较高，操作较为复杂。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有的提高高能激光聚焦峰值功率密度的装置的缺点，提供一种提高高能拍瓦激光聚焦功率密度的装置，该装置基于离轴抛物面镜焦后发散球面波前测量，利用小口径变形镜校正大口径输出光束，能够校正焦点前所有的波前畸变，通过改善输出波前质量，得到接近于理论衍射极限的聚焦焦斑，能够显著地提高高能拍瓦激光聚焦的峰值功率密度。该方法校正效率高，经济廉价，调节简单，而且工作稳定。

本发明的技术解决方案如下：

一种提高高能拍瓦激光聚集功率密度的装置，该装置包括反射镜组、变形镜、扩束系统、压缩器、大口径离轴抛面镜、反射率为5%的楔形镜、波前探测器、高分辨率科学CCD、计算机和变形镜高压电源控制器，其特点在于：所述的变形镜为小口径变形镜，从高能拍瓦激光光源输出的激光光束经过所述反射镜组反射，以小于5°的入射角入射至所述变形镜上，从变形镜出来后经反射镜组反射进入所述的扩束系统，由该扩束系统输出的大口径光束经所述的压缩器后，由所述的大口径离轴抛物面镜会聚。在大口径离轴抛物面镜的焦点前放置所述的楔形镜，该楔形镜将入射光束分为透射光束和反射光束，在经该楔形镜的反射光束的焦点后放置所述的波前探测器，以测量发散球面波前，在经该楔形镜的透射光束的焦点设置所述的科学高分辨率CCD，所述的变形镜置于压缩器和扩束系统之前的小口径光路中，所述波前探测器和所述变形镜组成自适应光学闭环校正环路，对焦点后的发散球面波前进行测量和校正，通过改善输出波前质量来提高高能拍瓦激光聚焦功率密度,所述的小口径D1和大口径D2的比值范围是D1/D2=1/5~3/4。

利用上述提高高能拍瓦激光聚集功率密度的装置提高高能拍瓦激光聚集功率密度的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

①入射在变形镜表面的光束为扩束前的小口径光束，通过所述的反射镜组使入射变形镜表面的光束和出射光束之间的夹角小于10°；

②为保证光栅压缩器的安全，经变形镜的输出光束经扩束系统扩束至大口径光束，被压缩器中的光栅压缩后，被大口径抛物面镜会聚，会聚光束经楔形镜分为透射光束和反射光束，具有大部分能量透射光束被会聚在焦点，用于和物质相互作用的物理实验，反射光束被波前探测器探测；

③把波前探测器放置在经楔形镜的反射形成的焦点后适当的位置，使入射到波前探测器的光斑恰好充满波前探测器的入瞳，计算机程序将波前探测器的参考波前设置为理想球面波前；

④使用波前探测器测量反射光束的发散球面波前并输入所述的计算机，该计算机将所述的发散球面波前与理想球面波波前进行比较得出二者差值即为畸变量，将该畸变量计算出变形镜各个电极的电压值，再通过高压电源控制系统将各个电极的电压值加在相应的电极上，改变变形镜的面形，从而使变形镜反射后的激光波前相位发生相应的变化；

⑤重复步骤④，对测量的发散球面波前逐步改善，直至逼近所述的理想球面波前；

⑥当校正后测量的发散球面波前接近理想波前后，将所述的高分辨率科学CCD相机放置在焦点，前后调节高分辨率科学CCD的位置直接测量焦点的焦斑大小和焦斑内能量集中度，检验波前校正效果。

与上述现有技术相比，本发明具有以下显著的特点：

1、本发明装置是基于焦点后球面波前测量的预校正方法，当焦后波前被校正为理想发散球面波前时，其对应的焦前为理想会聚球面波，根据菲涅尔衍射公式，聚焦元件后的波前为理想会聚球面波前时，其聚焦后的焦斑为理想的衍射极限光斑，其也就是说当我们校正后的波前越接近理想球面波前，其聚焦后的焦斑大小就越接近理论衍射极限的的大小。测量装置放置在聚焦元件后面，直接测量焦点附近的波前分布，不需要引入缩束成像系统，避免引入额外的波前畸变，因此，测量结果能够真实的反应光波在主光路中的波前畸变，为变形镜校正提供了准确的依据，并且调节简单方便；

2、本发明装置对焦点附近球面波前进行直接测量，意味着这种环路能校正激光系统的所有波前畸变，甚至包括离轴抛物面镜引入的波前畸变，降低了抛物面镜的调节要求，波前校正后，球面波不需经过任何光学元件，直接会聚，避免了波前被会聚光学元件的再次劣化，使得校正波前校正效果能够完全的反应到焦斑的聚焦效果，能够更加有效的提高激光的聚焦能力；因此测量的结果可以更加真实再现焦点处的波前，与传统的平面波前测量方法相比，避免缩束系统引入的波前畸变误差，降低了对离轴抛物面镜的调节精度要求，不仅调节简单，而且校正后更易获得近衍射极限聚焦光斑。

3、本发明的变形镜置于钛宝石主放大器之后、压缩器扩束系统之前，可变形镜上的形面变化不仅校正了可变形镜之前所有动态和静态畸变，还预先校正了压缩光栅和离轴抛物面镜引入的波前畸变，避免了传统波前校正中由于无法校正聚焦元件引入的畸变导致校正效果劣化的情况发生。而且，扩束前的光斑为小孔径光束，光栅压缩器后为大口径光束，只需要口径略大于小口径光束的可变形镜就能校正大口径输出光斑。这种方法能能够用小口径变形镜校正激光系统中的所有波前畸变。考虑到小口径变形镜价格相对便宜，因此该校正环路更为廉价。

4、实验表明，利用本发明装置能够得都较为理想的校正效果：校正前的波前畸变PtV（波前分布峰谷值）=1.225λ，RMS（均方根值）=0.179λ，校正后的波前畸变PtV=0.434λ，RMS=0.048λ，焦斑大小由校正前的3.08×3.78倍的衍射极限值缩小为校正后的1.63×1.78倍的衍射极限值,焦斑功率密度提高约4倍，在峰值功率为0.89PW/29fs下，峰值功率密度达到10²¹W/cm²。

附图说明

图1是本发明提高高能拍瓦激光峰值功率密度装置的光路图。

图2是现有的提高高能激光聚焦峰值功率密度的装置示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请参阅图1，图1也是本发明提高高能拍瓦激光峰值功率密度装置一个实施例的光路图。由图可知，本发明提高高能拍瓦激光大光斑聚焦功率密度的装置，包括反射镜组1、小口径可变形镜2、扩束系统3、压缩光器4、离轴抛面镜6、反射率为5%的楔形镜7、波前探测器10、高分辨率科学CCD9、计算机11和变形镜高压电源控制器12。该装置以放置在大口径抛物面镜6焦点后的波前探测器10为测量部件，以放置在压缩光器4前的变形镜2为校正部件，通过波前探测器10测量大口径抛物面镜6焦点后的实际球面波前相位分布，并与理想球面波前分布进行比较得出波前畸变量，通过计算机11将畸变量转换为变形镜2各个电极的电压值，再通过高压电源控制系统12将所得电压值加在可变形镜2的相应电极上，通过电压控制变形镜2形面变化来改善经变形镜2反射后光波的波前。波前探测器10和变形镜2组成自适应光学校正环路，经过多次循环测量和校正，使得最终焦点后的波前逼近理想球面波前，也就是校正后光波经聚焦元件大口径抛物面镜6聚焦后波前为理想球面波前。根据菲涅尔衍射公式，聚焦元件6后的光波波前越接近理想球面波前，激光聚焦的焦斑就越接近理论衍射极限。

利用上述提高高能拍瓦激光聚集功率密度的装置提高高能拍瓦激光聚集功率密度的方法，具体步骤如下：

（1）入射在变形镜2表面的光束为扩束前的Φ50mm光束，通过所述的反射镜组1使入射变形镜2表面的光束和出射光束之间的夹角小于10°；

（2）为保证光栅压缩器4的安全，经变形镜2的输出光束经扩束系统3扩束至Φ150mm光束，被压缩器4中的光栅5压缩后，被大口径抛物面镜6会聚，会聚光束经楔形镜7分为透射光束和反射光束，具有大部分能量透射光束被会聚在焦点8，用于和物质相互作用的物理实验，反射光束被波前探测器10探测；

（3）.把波前探测器10放置在经楔形镜7反射形成的焦点后适当的位置，使得入射到波前探测器10的光斑能够恰好充满探测器10的入瞳，计算机将波前探测器10的参考波前设置为理想球面波前;

（4）.使用波前探测器10测量焦点附近的发散球面波前输入计算机11，该计算机11将所述的发散球面波前与理想球面波波前进行比较得出二者差值即为畸变量，将所得的畸变量转化为变形镜2各个电极的电压值，再通过高压电源控制系统12将电压值加在相应的电极上，改变变形镜的型面，从而使得变形镜反射后的激光波前相位发生相应的变化；

（5）重复步骤（4），以理想球面波前为目标对输出实际波前进行逐步改善，以此循环逼近理想球面波前，最终实现波前校正的目的；

（6）当校正后的波前接近于理想波前后，将高分辨率科学CCD相机放置在焦点（8）附近，前后调节CCD的位置直接测量焦点8的焦斑大小和焦斑内能量集中度，检验波前校正效果。

所述的装置中，变形镜的口径略大于扩束前光束口径，小口径变形镜校正大口径输出光束的波前，小口径D1和大口径D2的比值范围D1/D2=1/5~3/4，现在的高能拍瓦激光系统光栅输出口径为120mm~240mm,实验表明可以利用口径为Φ50mm~Φ100mm的小口径变形镜作为校正元件；

所述的装置对焦点附近球面波前进行直接测量，因此测量的结果可以更加真实再现焦点处的波前，与传统的平面波前测量方法相比，避免缩束系统引入的波前畸变误差，不仅调节简单，而且校正后更易获得近衍射极限聚焦光斑。

本实施例变形镜2置于钛宝石主放大器之后、压缩器扩束系统3之前，可变形镜上的形面变化不仅校正了可变形镜之前所有动态和静态畸变，还预先校正了压缩光栅和离轴抛物面镜引入的波前畸变，避免了传统波前校正中由于无法校正聚焦元件引入的畸变导致校正效果劣化的情况发生。而且，扩束前的光斑为小孔径光束，光栅压缩器后为大口径光束，只需要口径略大于小口径光束的可变形镜就能校正大口径输出光斑。这种方法能能够用小口径变形镜校正激光系统中的所有波前畸变。

实验表明，利用所述的装置能够得都较为理想的校正效果：校正前的波前畸变PtV（波前分布峰谷值）=1.225λ，RMS（均方根值）=0.179λ，校正后的波前畸变PtV=0.434λ，RMS=0.048λ，焦斑大小由校正前的3.08×3.78倍的衍射极限值缩小为校正后的1.63×1.78倍的衍射极限值,焦斑功率密度提高约4倍，在峰值功率为0.89PW/29fs下，峰值功率密度达到10²¹W/cm2。本发明利用小口径可变形镜能够有效地校正包括压缩光学元件和聚焦光学元件所引起的波前畸变在内的所有波前畸变，使聚焦焦斑的大小尽可能接近衍射极限，大大提高了激光聚焦的功率密度。本发明具有经济高效，调节简单，工作稳定等优点。

Claims (2)

1.一种提高高能拍瓦激光聚集功率密度的装置，该装置包括反射镜组（1）、变形镜（2）、扩束系统（3）、压缩器（4）、大口径离轴抛面镜（6）、反射率为5%的楔形镜（7）、波前探测器（10）、高分辨率科学CCD（9）、计算机（11）和变形镜高压电源控制器（12），其特征在于：所述的变形镜（2）为小口径变形镜，从高能拍瓦激光光源输出的激光光束经过所述反射镜组（1）反射，以小于5°的入射角入射至所述变形镜（2）上，从变形镜（2）出来后经反射镜组（1）反射进入所述的扩束系统（3），由该扩束系统输出的大口径光束经所述的压缩器（4）后，由所述的大口径离轴抛物面镜（6）会聚；在大口径离轴抛物面镜（6）的焦点前放置所述的楔形镜（7），该楔形镜（7）将入射光束分为透射光束和反射光束，在经该楔形镜的反射光束的焦点后放置所述的波前探测器（10），以测量发散球面波前，在经该楔形镜的透射光束的焦点（8）设置所述的科学高分辨率CCD（9），所述的变形镜（2）置于压缩器（4）和扩束系统（5）之前的小口径光束中，所述波前探测器（10）和所述变形镜（2）组成自适应光学闭环校正环路，对焦点后的发散球面波前进行测量和校正，通过改善输出波前质量来提高高能拍瓦激光聚焦功率密度,所述的小口径光束的口径为小口径D1，所述的变形镜的口径略大于扩束前小口径光束口径，所述的大口径光束的口径为大口径D2，并且小口径D1为大口径D2的1/5～3/4。 

2.利用权利要求1所述的提高高能拍瓦激光聚集功率密度的装置提高高能拍瓦激光聚集功率密度的方法，其特征在于该方法包括下列步骤： 

①入射在变形镜（2）表面的光束为扩束前的小口径光束，通过所述的反射镜组（1）使入射变形镜（2）表面的光束和出射光束之间的夹角小于10°； 

②为保证光栅压缩器的安全，经变形镜（2）的输出光束经扩束系统（3）扩束至大口径光束，被压缩器（4）中的光栅（5）压缩后，被大口径抛物面镜（6）会聚，会聚光束经楔形镜（7）分为透射光束和反射光束，具有大部分能量的透射光束被会聚在焦点（8），用于和物质相互作用的物理实验，反射光束被波前探测器（10）探测； 

③把波前探测器（10）放置在经楔形镜（7）的反射形成的焦点后适当的位置，使入射到波前探测器（10）的光斑恰好充满波前探测器（10）的入瞳，计算机程序将波前探测器（10）的参考波前设置为理想球面波前； 

④使用波前探测器(10)测量反射光束的发散球面波前并输入所述的计算机（11），该计算机（11）将所述的发散球面波前与理想球面波波前进行比较得出二者差值即为畸变量，将该畸变量计算出变形镜（2）各个电极的电压值，再通过高压电源控制系统(12)将各个电极的电压值加在相应的电极上，改变变形镜的面形，从而使变形镜反射后的激光波前相位发生相应的变化； 

⑤重复步骤④，对测量的发散球面波前逐步改善，直至逼近所述的理想球面波前； 

⑥当校正后测量的发散球面波前接近理想波前后，将所述的高分辨率科学CCD相机（9）放置在焦点（8），前后调节高分辨率科学CCD的位置直接测量焦点（8）的焦斑大小和焦斑内能量集中度，检验波前校正效果。