CN104102009B - 一种用于靶点焦斑整形和光束匀滑的激光设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于靶点焦斑整形和光束匀滑的激光设备，其特征在于，包括，入射激光束，凸透镜，相位板，靶面，相位板由单轴晶体构成，且相位板的前后表面与单轴晶体的光轴平行，且前后表面的其中一面，其上有使用已有技术刻蚀的连续相位板面形；入射激光束进入光路时与凸透镜表面垂直，其偏振方向与单轴晶体光轴夹45度角；相位板位于透镜和靶面之间并靠近透镜一侧，且其上刻蚀有连续相位板面形的一面与靶面相对。本发明在不降低激光驱动器性能的前提下，保留了焦斑整形和偏振匀滑的功能，取代了连续相位板和偏振匀滑晶体板的组合，相比以前的方法更加简洁；同时降低了光束通过光学元件的总厚度，可有效地降低光学元件的损伤风险。
Description
技术领域
本发明涉及一种在高功率固体激光驱动器中，应用激光远场焦斑整形技术和光束匀滑技术的光路系统，具体涉及一种用于靶点焦斑整形和光束匀滑的激光设备。
背景技术
在高功率固体激光驱动器中，靶点焦斑整形和匀滑是激光驱动惯性约束聚变(ICF)实验中的关键技术。无论是在直接驱动还是在间接驱动中，为了提高靶的辐照均匀性，降低激光等离子体作用过程中的各种不稳定性，需要利用焦斑整形和光束匀滑技术获得特定形状的激光焦斑且在一定焦深内保持焦斑的形状和均匀性。目前用于焦斑整形的器件是连续相位板(CPP)，其原理是给光束近场附加特定的空间相位分布，以获得与之对应的焦斑形状。光束匀滑技术主要有光谱色散匀滑(SSD)和偏振匀滑(PS)。其中偏振匀滑利用晶体的双折射性质将光束分为偏振态相互垂直的两束光进行非相干叠加，从而降低焦斑对比度。
对连续相位板的研究已经比较成熟，Lin Y等人提出了利用连续相位板对焦斑进行控制的方法(Opt.Lett.21,1703(1996))。陈波等人针对惯性约束聚变的需求，对连续相位板的设计进行了改进(光学学报,21,480(2001))。接着，李平提出了基于焦斑空间频谱控制的连续相位板设计，并在实验中实现(强激光与粒子束,20,1114(2008))，本发明专利将在下面简称这篇论文为在先技术1。连续相位板可以令激光束产生特定形状和轮廓的焦斑，但焦斑内部存在大量散斑(speckle)，使得焦斑的均匀度下降，对比度增大。为了提高激光辐照均匀性，需要对连续相位板产生的焦斑进行偏振匀滑。K.Tsubakimoto等人提出利用偏振控制板压缩散斑，提高焦斑均匀性的方法(Opt.Common.91,9(1992))。接着，J.E.Rothenberg将偏振匀滑技术应用于ICF中，提出了应用双折射晶体楔板实现焦斑匀滑的方法(J.Appl.Phys.87,3654(2000))，本发明专利将在下面简称这篇论文为在先技术2。另外，物理学报公开的一种利用晶体相位板同时实现焦斑整形和偏振匀滑技术，本发明专利将在下面简称这篇论文为在先技术3。
在高功率固体激光驱动器中，对靶点的焦斑整形和匀滑技术，采用在先技术1和在先技术2的相位板组合，其缺点在于成本较高，且光束通过光学元件的总厚度较大，光学元件的损伤风险较高；而使用在先技术3，其相位板主要采用的是将在先技术1和在先技术2的面形进行叠加，以此完成对焦斑的整形和匀滑，其缺点在于相位板上的的楔面夹角的大小，由经过相位板的激光脉冲能量波长、光束口径、以及所述双轴晶体的双折射率来决定，不同的激光脉冲能量波长、光束口径需要不同楔面夹角的相位板，通用性不强，且加工工艺较为复杂。
发明内容
本发明设计公开了一种用于靶点焦斑整形和光束匀滑的激光设备，在有效解决上述问题的同时，能可靠地实现在高功率固体激光驱动器中，对靶点上的焦斑的进行轮廓整形和偏振匀滑。
本发明提供的技术方案为：
一种用于靶点焦斑整形和光束匀滑的激光设备，其特征在于，包括，入
射激光束，凸透镜，相位板，靶面；其中，
所述相位板由单轴晶体构成，且所述单轴晶体被加工成前后表面与单轴晶体的光轴平行的晶体板，且所述晶体板前后表面的其中一面，其上有使用已有技术刻蚀的连续相位板面形；
所述入射激光束进入光路时与凸透镜表面垂直，且其偏振方向与单轴晶体光轴夹45度角；
所述相位板位于透镜和靶面之间并靠近透镜一侧，且其上刻蚀有连续相位板面形的一面与靶面相对；
所述入射激光束经凸透镜聚焦后形成聚焦光束，且
所述聚焦光束进入相位板后产生双折射现象，被分成强度相等的寻常光(o光)和非常光(e光)，且所述寻常光(o光)和非常光(e光)在出射时，光束上都带有连续相位板面形对应的相位分布，且
所述寻常光(o光)和非常光(e光)因折射率不同，使得寻常光(o光)和非常光(e光)的焦点在成像的位置上前后错开，且所述焦点之间的距离有位移差Δz；
所述靶面的位置取位移差Δz的中间值进行设置。
优选的是，所述相位板的制作方法为：
步骤1，确定所述单轴晶体的光轴方向，
步骤2，切割晶体，将所述单轴晶体前、后表面平行于单轴晶体光轴方向进行切割，得到晶体板，
步骤3，加工面形，将所述晶体板前、后表面的其中一面，使用已有连续相位板的面形加工技术进行刻蚀。
优选的是，所述相位板中寻常光(o光)和非常光(e光)的折射率不同，在出射后，寻常光(o光)和非常光(e光)之间有微小的偏移。
优选的是，所述寻常光(o光)和非常光(e光)因相位板的折射，而产生焦点后移，且因寻常光(o光)和非常光(e光)的折射率不同，其所述焦点后移量也不同，从而使得寻常光(o光)和非常光(e光)的焦点在成像位置上前后错开，且焦点之间的距离有位移差Δz。
优选的是，所述靶面上寻常光(o光)和非常光(e光)的分布不同，且寻常光(o光)和非常光(e光)的偏振态相互垂直，最终的焦斑分布为两束光错位后的非相干叠加。
本发明在不降低激光驱动器性能的前提下，保留了焦斑整形和偏振匀滑的功能，可以取代在先技术1的连续相位板和在先技术2的偏振匀滑晶体楔板的组合，将两个光学元件合二为一，减少器件；也可以取代在先技术3中将连续相位板面形和楔板面形相叠加，达到焦斑整形和偏振匀滑的方法；本发明的激光光路，将相位板与透镜的位置进行调换，先将入射激光束进行聚焦，再对其分束，整合，相比以前的方法更加简洁，成本更低；同时降低了光束通过光学元件的总厚度，可有效地降低光学元件的损伤风险。
附图说明
图1为本发明所述的一种用于靶点焦斑整形和光束匀滑的激光设备的光路示意图。
图2为本发明所述的一种用于靶点焦斑整形和光束匀滑的激光设备中相位板的晶体光轴与入射激光束偏振方向的关系示意图。
图3为本发明所述的一种用于靶点焦斑整形和光束匀滑的激光设备中相位板的实施例的面形示意图。
图4是本发明所述的一种用于靶点焦斑整形和光束匀滑的激光设备所得到的激光焦斑强度分布图。
图5是分别使用普通连续相位板光路和本发明所述的一种用于靶点焦斑整形和光束匀滑的激光设备所得到的激光焦斑强度分布图。
图6是图5中激光焦斑的一维分布所得结果的对比图。
图7是使用本发明的一种用于靶点焦斑整形和光束匀滑的激光设备和分别使用普通连续相位板、普通连续相位板与偏振匀滑晶体楔板组合的光路，三种情况下所得焦斑高于某强度的能量份额曲线对比图。
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。为简便，后文中以CPP表示普通连续相位板，以CPP and PS表示普通连续相位板和偏振匀滑晶体楔板的组合，以PS&CPP表示本发明的一种用于靶点焦斑整形和光束匀滑的激光设备中的相位板。
一种用于靶点焦斑整形和光束匀滑的激光设备，如图1所示，入射光场L与凸透镜(1)表面垂直，经凸透镜(1)聚焦后形成聚焦光束，聚焦光束在通过PS&CPP(2)时，被PS&CPP(2)分成强度相等寻常光(o光)和非常光(e光)，且因PS&CPP(2)上刻有连续相位面形，所以寻常光(o光)和非常光(e光)在经过PS&CPP(2)时，两束光都带有连续相位板面形对应的相位分布，焦斑得到整形；因PS&CPP(2)中寻常光(o光)和非常光(e光)的折射率不同，而使得光束在出射时光束之间有微小的平移，且两束光由于PS&CPP(2)的折射，使得寻常光(o光)和非常光(e光)的成像焦点产生焦点后移，且因两束光的折射率不同，其聚焦的焦点后移量也不同，从而使得两束光的焦点成像位置错开，非常光(e光)的焦点成像位置上有焦平面(4)，寻常光(o光)的焦点成像位置上有焦平面(5)，且焦平面(4)和焦平面(5)之间有位移差Δz，靶面(3)取焦平面(4)和焦平面(5)的中间值。由于寻常光(o光)和非常光(e光)的偏振态相互垂直，所以最终投射在靶面(3)的焦斑分布为两束光错位后的非相干叠加，达到了偏振匀滑的效果。
一种用于靶点焦斑整形和光束匀滑的激光设备的实施例：
以单轴晶体KDP为例，PS&CPP的制作方法分为三个步骤，确定KDP晶体的光轴方向；切割晶体，如图1所示，将KDP晶体前后表面平行于KDP晶体的光轴方向(图中y方向)进行切割，得到KDP晶体板；加工面形，将KDP晶体板的其中一面，使用已有在先技术1面形加工技术进行刻蚀。获得的面形分布如图2中的实施例所示，其中图2中纵坐标已将基底厚度扣除，其最终相位板的厚度分布函数为：
D(x,y)＝D0+DCPP(x,y)错误！未指定书签。
其中，D0为晶体基底厚度，DCPP(x,y)为连续相位板面形，可通过在先技术1中的设计方法获得，得到PS&CPP成品。
设入射光场为单色线偏振简谐波，偏振方向与PS&CPP成品中的光轴夹45度角(如图1所示)，其空间分布为口径L的方形均匀光场：
如图1所示，入射单色线偏振简谐波L与与凸透镜(1)表面垂直，经凸透镜(1)聚焦后形成聚焦光束，聚焦光束在通过PS&CPP(2)时，被PS&CPP(2)分成强度相等寻常光(o光)和非常光(e光)，且因PS&CPP(2)上刻有连续相位面形，所以寻常光(o光)和非常光(e光)在经过PS&CPP(2)时，两束光都带有连续相位板面形对应的相位分布，焦斑得到整形；因PS&CPP(2)中寻常光(o光)和非常光(e光)的折射率不同，而使得光束在出射时光束之间有微小的平移，且两束光由于PS&CPP(2)的折射，使得寻常光(o光)和非常光(e光)的成像焦点产生焦点后移，且因两束光的折射率不同，其聚焦的焦点后移量也不同，从而使得两束光的焦点成像位置错开，非常光(e光)的焦点成像位置上有焦平面(4)，寻常光(o光)的焦点成像位置上有焦平面(5)，且焦平面(4)和焦平面(5)之间有位移差Δz，靶面(3)取焦平面(4)和焦平面(5)的中间值。由于寻常光(o光)和非常光(e光)的偏振态相互垂直，所以最终投射在靶面(3)的焦斑分布为两束光错位后的非相干叠加，达到了偏振匀滑的效果。
利用惠更斯-菲涅尔衍射理论对光束经过本发明所述的一种用于靶点焦斑整形和光束匀滑的激光设备所产生的激光光路进行远场数值模拟，可以得到焦斑分布如图4所示，达到焦斑整形和偏振匀滑的效果。
对实施例中所得到的PS&CPP成品，通过本发明所述的激光光路和使用CPP的光路，利用惠更斯-菲涅尔衍射理论分别进行远场数值模拟，得到焦斑分布如图5所示。由图5我们可以很容易看出，使用本发明所述的激光光路和使用CPP的光路所得到的焦斑，在形状和尺寸上大致相同，与设计值符合，符合靶点焦斑的整形需求，实现了焦斑整形。
另外，在图5中我们也可以看出，使用本发明所述的激光光路得到的焦斑顶部更为均匀，与使用CPP的光路进行比较，焦斑的最大功率密度从8.5×1015W/cm2下降至4.9×1015W/cm2。
为了对比本发明所述的激光光路和CPP光路的焦斑的调制深度，画出图5中两个焦斑的一维分布，如图6所示。在图6中，右图为左图的局部放大，图中实线表示使用CPP光路的焦斑的调制深度，虚线表示使用本发明所述的PS&CPP激光光路的焦斑调制深度，很容易看出，采用本发明所述的PS&CPP激光光路后，在焦斑的调制深度上有明显的降低。
再者，为了对比CPP、CPP and PS和本发明所述的PS&CPP三种光路对焦斑的匀滑效果，我们计算出使用CPP and PS光路后得到的焦斑，分别作出使用三种光路情况下焦斑的FOPAI曲线(高于某强度的能量份额曲线)，如图7所示，其中实线表示使用CPP光路的焦斑峰值，虚线表示使用PS&CPP的本发明激光光路焦斑峰值，点划线表示使用CPP and PS光路的焦斑峰值。一般情况下，曲线越靠左代表焦斑峰值强度越低，匀滑效果越好，由此可见，使用本发明中PS&CPP的激光光路与CPP光路相比较，其对降低焦斑的峰值强度作用显著；使用本发明中PS&CPP的激光光路与CPP and PS光路相比较，其对降低焦斑的峰值强度的效果与CPP and PS光路相当，达到了偏振匀滑的效果。
综上所述，本发明的一种用于靶点焦斑整形和光束匀滑的激光设备，能够实现在高功率固体激光驱动器中，对靶点的焦斑整形和光束匀滑。
本发明在不降低激光驱动器性能的前提下，保留了焦斑整形和偏振匀滑的功能，可以取代在先技术1的连续相位板和在先技术2的偏振匀滑晶体楔板的组合，将两个光学元件合二为一，减少器件；也可以取代在先技术3中将连续相位板面形和楔板面形相叠加，达到焦斑整形和偏振匀滑的方法；本发明的激光光路，将相位板与透镜的位置进行调换，先将入射激光束进行聚焦，再对其分束，整合，相比以前的方法更加简洁，成本更低；同时降低了光束通过光学元件的总厚度，可有效地降低光学元件的损伤风险。
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。
Claims (5)
1.一种用于靶点焦斑整形和光束匀滑的激光设备，其特征在于，包括，入射激光束，凸透镜，相位板，靶面；其中，
所述相位板由单轴晶体构成，且所述单轴晶体被加工成前后表面与单轴晶体的光轴平行的晶体板，且所述晶体板前后表面的其中一面，其上有刻蚀的连续相位板面形；
所述入射激光束进入光路时与凸透镜表面垂直，且其偏振方向与单轴晶体光轴夹45度角；
所述相位板位于透镜和靶面之间并靠近透镜一侧，且其上刻蚀有连续相位板面形的一面与靶面相对；
所述入射激光束经凸透镜聚焦后形成聚焦光束，且
所述聚焦光束进入相位板后产生双折射现象，被分成强度相等的寻常光(o光)和非常光(e光)，且所述寻常光(o光)和非常光(e光)在出射时，光束上都带有连续相位板面形对应的相位分布，且
所述寻常光(o光)和非常光(e光)因折射率不同，使得寻常光(o光)和非常光(e光)的焦点在成像的位置上前后错开，且所述焦点之间的距离有位移差Δz；
所述靶面的位置取位移差Δz的中间值进行设置。
2.如权利要求1所述的一种用于靶点焦斑整形和光束匀滑的激光设备，其特征在于，所述相位板的制作方法为：
步骤1，确定所述单轴晶体的光轴方向，
步骤2，切割晶体，将所述单轴晶体前、后表面平行于单轴晶体光轴方向进行切割，得到晶体板，
步骤3，加工面形，将所述晶体板前、后表面的其中一面，使用已有连续相位板的面形加工技术进行刻蚀。
3.如权利要求2所述的一种用于靶点焦斑整形和光束匀滑的激光设备，其特征在于，所述相位板中寻常光(o光)和非常光(e光)的折射率不同，在出射后，寻常光(o光)和非常光(e光)之间有微小的偏移。
4.如权利要求3所述的一种用于靶点焦斑整形和光束匀滑的激光设备，其特征在于，所述寻常光(o光)和非常光(e光)因相位板的折射，而产生焦点后移，且因寻常光(o光)和非常光(e光)的折射率不同，其所述焦点后移量也不同，从而使得寻常光(o光)和非常光(e光)的焦点在成像位置上前后错开，且焦点之间的距离有位移差Δz。
5.如权利要求4所述的一种用于靶点焦斑整形和光束匀滑的激光设备，其特征在于，所述靶面上寻常光(o光)和非常光(e光)的分布不同，且寻常光(o光)和非常光(e光)的偏振态相互垂直，最终的焦斑分布为两束光错位后的非相干叠加。
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