CN103365029B - 一种折叠物像拼接光栅脉冲压缩器及拼接状态诊断系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种折叠物像拼接光栅脉冲压缩器及拼接状态诊断系统，该折叠物像拼接光栅脉冲压缩器包括有四组拼接光栅和两个折叠反射镜，四组所述的拼接光栅中第一组拼接光栅与第二组拼接光栅平行，第三组拼接光栅与第四组拼接光栅平行，两对平行拼接光栅上下对称分布；拼接状态诊断系统包括有两个监测光源和两个观察装置，每个监测光源各发出一个光束并分为两个监测光束，四个监测光束分别经四个拼接位置后被相应的观察装置接收并形成衍射光焦斑。本发明的压缩器和诊断系统缩小了压缩器体积，减少了拼接光栅的拼接偏差，并简化了拼接状态诊断系统。

Description

一种折叠物像拼接光栅脉冲压缩器及拼接状态诊断系统

技术领域

本发明涉及激光装置，特别涉及一种啁啾脉冲放大激光器用的压缩器，以及该压缩器上用的拼接状态诊断系统。

背景技术

在高能激光领域，啁啾脉冲放大技术为产生超强超短激光创造了条件。啁啾脉冲放大的技术路线是：超短种子脉冲经展宽器引入正色散在时间域展宽为长的啁啾脉冲，经放大器功率放大，再经压缩器引入负色散将长的啁啾脉冲压缩还原为超短脉冲。压缩器由衍射光栅组成，工作原理是，正啁啾脉冲经过平行光栅对时不同光谱成分经历不同光程，引入与展宽器共轭的色散实现脉冲压缩还原。

近十年间，高能超短激光装置的发展要求啁啾脉冲放大系统输出越来越大能量的超短激光脉冲，脉冲能量达到千焦耳及以上，脉冲宽度达到皮秒及飞秒。然而，高能超短激光装置中位于系统末端压缩器光栅由于存在较低的损失阈值，这个难题成为提升系统输出能量的瓶颈。为提高输出能量，降低通量密度，避免光栅破坏，通常将注入压缩器的激光进行扩束，因此极大地增加了光栅的尺寸需求以及压缩器的空间尺寸。目前为止，光栅尺寸远远不能满足该类激光装置的需求。为解决光栅尺寸不足的问题，通常使用拼接光栅。国际上基于拼接光栅的压缩器如图1所示，其中，1`为入射的大口径光束，2`为第一组拼接光栅，3`为第二组拼接光栅，4`为第三组拼接光栅，5`为第四组拼接光栅,6`为出射的大口径光束。四组拼接光栅构成压缩器，相对位置关系为：第一组拼接光栅2`与第二组拼接光栅3`平行；第三组拼接光栅4`与第四组拼接光栅5`平行,两对平行的拼接光栅呈现左右对称分布。为了实现压缩器中四组由两块子光栅拼接而成的拼接光栅起到四块大光栅的效果，需要对每组拼接光栅的拼接状态进行监测。监测光源7`的光束投射至第一组拼接光栅2`的拼缝处，衍射光和反射光被收集至由透镜和CCD相机组成的观察系统8`。同样的：监测光源9`的光束投射至第二组拼接光栅3`的拼缝处，衍射光和反射光被收集至由透镜和CCD相机组成的观察系统10`；监测光源11`的光束投射至第三组拼接光栅4`的拼缝处，衍射光和反射光被收集至由透镜和CCD相机组成的观察系统12`；监测光源13`的光束投射至第四组拼接光栅5`的拼缝处，衍射光和反射光被收集至由透镜和CCD相机组成的观察系统14`。

每组拼接光栅内部两块子光栅间存在六种拼接偏差：方位旋转、俯仰旋转、面内旋转、左右平移、前后平移和条纹密度差。根据在先技术，拼接光栅内部的六种拼接偏差和观察系统中监测光源衍射光焦斑和反射光焦斑的分布满足对应关系如下：

方位旋转诱发观察系统中监测光源的衍射光焦斑横向分离，反射光焦斑也横向分离；

俯仰旋转诱发观察系统中监测光源的衍射光焦斑纵向分离，反射光焦斑也纵向分离；

面内旋转诱发观察系统中监测光源的衍射光焦斑纵向分离；

左右平移诱发观察系统中监测光源的衍射光焦斑干涉分裂；

前后平移诱发观察系统中监测光源的衍射光焦斑干涉分裂，反射光焦斑也干涉分裂；

条纹密度差诱发观察系统中监测光源的衍射光焦斑横向分离。

根据以上对应关系，以及观察系统中监测光源衍射光焦斑和反射光焦斑各自的分布情况，即可实现每组拼接光栅内部六种拼接偏差的精密调节。由于每组拼接光栅内部存在六个拼接偏差，全压缩器总计存在二十四个拼接偏差有待调节。上述设计的压缩器和监测系统存在如下技术上的不足：1.压缩器内部拼接光栅的拼接偏差太多，共二十四个；2.拼接状态诊断系统过于复杂；3.压缩器消耗空间大。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的不足，提供一种新的折叠物像拼接光栅脉冲压缩器及拼接状态诊断系统。本发明设计的压缩器和诊断系统要能够缩小压缩器体积，减少拼接光栅的拼接偏差，并简化拼接状态诊断系统。

为了达到上述发明目的，本发明专利提供的技术方案如下：

一种折叠物像拼接光栅脉冲压缩器及拼接状态诊断系统，其特征在于，该折叠物像拼接光栅脉冲压缩器包括有四组拼接光栅和两个折叠反射镜，四组所述的拼接光栅分别为第一组拼接光栅、第二组拼接光栅、第三组拼接光栅和第四组拼接光栅，每组拼接光栅由一块内部光栅和一块与其呈直角的内部反射镜组成，所述第一组拼接光栅与所述第二组拼接光栅平行，所述第三组拼接光栅与所述第四组拼接光栅平行，两对相平行的拼接光栅上下交叉对称分布；入射大口径光束依次经过第一组拼接光栅、第二组拼接光栅、第一折叠反射镜、第二折叠反射镜、第三组拼接光栅和第四组拼接光栅后以形成出射大口径光束；所述的拼接状态诊断系统包括有两个监测光源和两个观察装置，每个监测光源各发出一个光束并分为两个监测光束，第一监测光源发出的一个监测光束投射至第一组拼接光栅的拼缝处，产生的衍射光被收集至第一观察装置中形成衍射光焦斑，另一个监测光束投射至第四组拼接光栅的拼缝处，产生的衍射光被收集至第二观察装置中形成衍射光焦斑，第二监测光源发出的一个监测光束投射至第二组拼接光栅的拼缝处，产生的衍射光被收集至第二观察装置中形成衍射光焦斑，另一个监测光束投射至第三组拼接光栅的拼缝处，产生的衍射光被收集至第一观察装置中形成衍射光焦斑。

在本发明折叠物像拼接光栅脉冲压缩器及拼接状态诊断系统中，每组拼接光栅中内部反射镜形成内部光栅的像，构成由物光栅和像光栅组成的物像拼接光栅。

在本发明折叠物像拼接光栅脉冲压缩器及拼接状态诊断系统中，每个观察装置均由透镜和CCD相机组成。

在本发明折叠物像拼接光栅脉冲压缩器及拼接状态诊断系统中，两对平行的物像拼接光栅由第一折叠反射镜和第二折叠反射镜进行光路折叠而呈现上下对称分布。

在本发明折叠物像拼接光栅脉冲压缩器及拼接状态诊断系统中，每组物像拼接光栅的内部反射镜相对内部光栅存在三种拼接偏差，方位旋转、俯仰旋转和前后平移，该三种拼接偏差与监测装置中的焦斑分布具有如下对应关系：

方位旋转诱发观察装置中监测光源的衍射光焦斑横向分离；

俯仰旋转诱发观察装置中监测光源的衍射光焦斑纵向分离；

前后平移诱发观察装置中监测光源的衍射光焦斑干涉分裂。

在本发明折叠物像拼接光栅脉冲压缩器及拼接状态诊断系统中，监测装置中衍射光焦斑出现三种可能分布时，对应物像拼接光栅的内部反射镜调节方式为：

若观察装置中监测光源的衍射光焦斑横向分离，则调节方位旋转；

若观察装置中监测光源的衍射光焦斑纵向分离，则调节俯仰旋转；

若观察装置中监测光源的衍射光焦斑干涉分裂，则调节前后平移。

在本发明折叠物像拼接光栅脉冲压缩器及拼接状态诊断系统中，在每组物像拼接光栅中，以内部光栅为参照基准，所述内部反射镜为可动部件。

在本发明折叠物像拼接光栅脉冲压缩器及拼接状态诊断系统中，所述压缩器内四组物像拼接光栅中只有一组物像拼接光栅的内部反射镜需要具有前后平移调节能力。

基于上述技术方案，本发明的折叠物像拼接光栅脉冲压缩器及拼接状态诊断系统与现有技术相比具有如下技术优点：

1.本发明专利的压缩器中设计了物像拼接光栅起到增大等效光栅的作用，而四组物像拼接光栅在脉冲压缩器中起到了四块大光栅的效果，并且通过折叠来减小压缩器所消耗的空间，使其占用的空间大小减小到现有技术的一半。

2.本发明中的拼接状态诊断系统只需要采集检测光源的衍射光，而不需要采集反射光，使得拼接状态诊断系统只需要两个透镜和两个CCD相机即可完成功能需要，大大简化了系统结构。

3.本发明的压缩器及其拼接状态诊断系统中焦斑分布和拼接偏差的对应关系，即可实现拼接光栅内部三种拼接偏差的精密调节。由于每组物像拼接光栅内部存在三个拼接偏差，全压缩器总计存在十二个拼接偏差，但由于四组物像拼接光栅内部反射镜的前后平移可以进行任意相互补偿，即只需一组物像拼接光栅的内部反射镜具有前后平移调节能力即可，因此全压缩器有待调节的拼接偏差可减至九个。

附图说明

图1是现有技术中拼接光栅脉冲压缩器及拼接状态诊断系统的结构组成示意图。

图2是拼接状态诊断系统采集到的衍射光焦斑或反射光焦斑的分布示意图。

图3是本发明折叠物像拼接光栅脉冲压缩器及拼接状态诊断系统的结构组成示意图。

具体实施方式

下面我们结合附图和具体的实施例来对本发明的折叠物像拼接光栅脉冲压缩器及拼接状态诊断系统作进一步的详细阐述，以求更为清楚明了地理解本发明的结构组成情况和工作流程，但不能以此来限制本发明专利的保护范围。

本发明的结构组成可由图3清楚地看出，本发明折叠物像拼接光栅脉冲压缩器中包括有四组拼接光栅和两个折叠反射镜。四组拼接光栅分别为第一组拼接光栅2、第二组拼接光栅3、第三组拼接光栅6和第四组拼接光栅7。每组拼接光栅由一块内部光栅和一块与该内部光栅呈直角的内部反射镜组成，在反射镜中形成内部光栅的像，整体就构成了由物光栅和像光栅组成的物像拼接光栅，组成的物像拼接光栅起到增大等效光栅尺寸的作用。

上述四组物像拼接光栅构成了压缩器，各组物像拼接光栅的相对位置关系为：第一组拼接光栅2与第二组拼接光栅3平行；第三组拼接光栅6与第四组拼接光栅7平行。另外，两对平行物像拼接光栅由第一折叠反射镜4和第二折叠反射镜5进行光路折叠而呈现上下交叉对称分布。通过对四组拼接光栅的上下交叉对称折叠设计，使得压缩器所占用的空间大大减小，外部轮廓非常规整，实践中折叠物像拼接光栅脉冲压缩器由于折叠效果，压缩器消耗空间相对在先技术缩小一半。

在上述的压缩器中，入射大口径光束1依次经过第一组拼接光栅2、第二组拼接光栅3、第一折叠反射镜4、第二折叠反射镜5、第三组拼接光栅6和第四组拼接光栅7后以形成出射大口径光束8。由于每组物像拼接光栅中的内部光栅和内部反射镜间存在三种拼接偏差（以光栅为参照基准，反射镜为可动元件）：方位旋转、俯仰旋转和前后平移。使用过程中需要避免这些拼接偏差影响压缩效果，需要设计专门的拼接状态诊断系统来分析，进而为整个压缩器的精密调节提供依据。

为了实现对折叠物像拼接光栅脉冲压缩器中四组物像拼接光栅起到四块大光栅的效果，同样需要对每组物像拼接光栅的拼接状态进行监测。用于压缩器中各组拼接光栅拼接状态诊断的诊断系统包括有两个监测光源和两个观察装置。两个监测光源分别为第一监测光源9和第二监测光源10，每个监测光源均发出一个光束并分为两个监测光束，每个观察装置均由透镜和CCD相机组成，由透镜将入射的光束聚焦到CCD相机中成像。其中，第一监测光源9发出的一个监测光束投射至第一组拼接光栅2的拼缝处，该监测光束在此拼缝处产生的衍射光被收集至第一观察装置11中形成衍射光焦斑，同时另一个监测光束经过两次反射后投射至第四组拼接光栅7的拼缝处，该监测光束在此拼缝处产生的衍射光被收集至第二观察装置12中形成衍射光焦斑；同理，第二监测光源10发出的一个监测光束投射至第二组拼接光栅3的拼缝处，产生的衍射光被收集至第二观察装置12中形成衍射光焦斑，另一个监测光束经过两次反射后投射至第三组拼接光栅6的拼缝处，产生的衍射光被收集至第一观察装置11中形成衍射光焦斑。

在本发明折叠物像拼接光栅脉冲压缩器及拼接状态诊断系统中，每组物像拼接光栅的内部反射镜相对内部光栅存在三种拼接偏差：方位旋转、俯仰旋转和前后平移，该三种拼接偏差与监测装置中的焦斑分布具有如下对应关系：

方位旋转诱发观察装置中监测光源的衍射光焦斑横向分离，如图2中的B状态焦斑；

俯仰旋转诱发观察装置中监测光源的衍射光焦斑纵向分离，如图2中的C状态焦斑；

前后平移诱发观察装置中监测光源的衍射光焦斑干涉分裂，如图2中的D状态焦斑。

图2中的A状态焦斑则是不存在拼接偏差的完整焦斑，是其他状态调整的参考。在每组物像拼接光栅中，以内部光栅为参照基准，所述内部反射镜为可动部件。所述压缩器内四组物像拼接光栅中只有一组物像拼接光栅的内部反射镜需要具有前后平移调节能力。

根据以上对应关系，以及观察装置中监测光源衍射光的焦斑分布情况，即可实现每组拼接光栅内部三种拼接偏差的精密调节。由于每组物像拼接光栅内部存在三个拼接偏差，全压缩器总计存在十二个拼接偏差。但由于四组物像拼接光栅内部反射镜的前后平移可以进行任意相互补偿，即只需一组物像拼接光栅的内部反射镜具有前后平移调节能力即可，因此全压缩器有待调节的拼接偏差可减至九个。

在具体的拼接偏差调整过程中，若在监测装置中衍射光焦斑出现上述三种可能分布时，对应物像拼接光栅的内部反射镜调节方式为：

1.若观察装置中监测光源的衍射光焦斑横向分离，则调节方位旋转；

2.若观察装置中监测光源的衍射光焦斑纵向分离，则调节俯仰旋转；

3.若观察装置中监测光源的衍射光焦斑干涉分裂，则调节前后平移。

另外，折叠物像拼接光栅脉冲压缩器的拼接状态诊断系统只采集监测光源的衍射光，不需要采集反射光，拼接状态诊断系统相对在先技术变得简单。

Claims (7)

1.一种折叠物像拼接光栅脉冲压缩器及拼接状态诊断系统，其特征在于，该折叠物像拼接光栅脉冲压缩器包括有四组拼接光栅和两个折叠反射镜，四组所述的拼接光栅分别为第一组拼接光栅、第二组拼接光栅、第三组拼接光栅和第四组拼接光栅，每组拼接光栅由一块内部光栅和一块与其呈直角的内部反射镜组成，每组拼接光栅中内部反射镜形成内部光栅的像，构成由物光栅和像光栅组成的物像拼接光栅，所述第一组拼接光栅与所述第二组拼接光栅平行，所述第三组拼接光栅与所述第四组拼接光栅平行，两对相平行的拼接光栅上下对称分布；入射大口径光束依次经过第一组拼接光栅、第二组拼接光栅、第一折叠反射镜、第二折叠反射镜、第三组拼接光栅和第四组拼接光栅后以形成出射大口径光束；所述的拼接状态诊断系统包括有两个监测光源和两个观察装置，每个监测光源各发出一个光束并分为两个监测光束，第一监测光源发出的一个监测光束投射至第一组拼接光栅的拼缝处，产生的衍射光被收集至第一观察装置中形成衍射光焦斑，另一个监测光束投射至第四组拼接光栅的拼缝处，产生的衍射光被收集至第二观察装置中形成衍射光焦斑，第二监测光源发出的一个监测光束投射至第二组拼接光栅的拼缝处，产生的衍射光被收集至第二观察装置中形成衍射光焦斑，另一个监测光束投射至第三组拼接光栅的拼缝处，产生的衍射光被收集至第一观察装置中形成衍射光焦斑。

2.根据权利要求1所述的一种折叠物像拼接光栅脉冲压缩器及拼接状态诊断系统，其特征在于，每个观察装置均由透镜和CCD相机组成。

3.根据权利要求1所述的一种折叠物像拼接光栅脉冲压缩器及拼接状态诊断系统，其特征在于，两对平行的物像拼接光栅对由第一折叠反射镜和第二折叠反射镜进行光路折叠而呈现上下对称分布。

4.根据权利要求1所述的一种折叠物像拼接光栅脉冲压缩器及拼接状态诊断系统，其特征在于，每组物像拼接光栅的内部反射镜相对内部光栅存在三种拼接偏差，方位旋转、俯仰旋转和前后平移，该三种拼接偏差与监测装置中的焦斑分布具有如下对应关系：

方位旋转诱发观察装置中监测光源的衍射光焦斑横向分离；

俯仰旋转诱发观察装置中监测光源的衍射光焦斑纵向分离；

前后平移诱发观察装置中监测光源的衍射光焦斑干涉分裂。

5.根据权利要求4所述的一种折叠物像拼接光栅脉冲压缩器及拼接状态诊断系统，其特征在于，监测装置中衍射光焦斑出现三种可能分布时，对应物像拼接光栅的内部反射镜调节方式为：

若观察装置中监测光源的衍射光焦斑横向分离，则调节方位旋转；

若观察装置中监测光源的衍射光焦斑纵向分离，则调节俯仰旋转；

若观察装置中监测光源的衍射光焦斑干涉分裂，则调节前后平移。

6.根据权利要求5所述的一种折叠物像拼接光栅脉冲压缩器及拼接状态诊断系统，其特征在于，在每组物像拼接光栅中，以内部光栅为参照基准，所述内部反射镜为可动部件。

7.根据权利要求6所述的一种折叠物像拼接光栅脉冲压缩器及拼接状态诊断系统，其特征在于，所述压缩器内四组物像拼接光栅中只有一组物像拼接光栅的内部反射镜需要具有前后平移调节能力。