CN104460052B - 一种脉冲激光变焦辐照装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种脉冲激光变焦辐照装置，直接由电光削波开关的格兰棱镜同时实现光脉冲的分束与波形分割，采用等光程的光路设计以保证合束后光脉冲的保真度，采用焦距相等的透镜和大小不同的物孔光阑实现焦斑的变化，与传统装置相比，使用了更少的电光削波开关，大大提高了入射光脉冲能量的利用率，并具有可扩展性，可得多台阶的光束变焦辐照。

Description

一种脉冲激光变焦辐照装置
技术领域
本发明涉及一种激光辐照装置，尤其是一种光斑在纳秒量级尺度内随时间阶梯变化、适用于基于像传递技术的准分子激光变焦辐照装置。
背景技术
激光变焦辐照可使得激光焦斑在同一个脉冲时间内随时间快速变化，通常情况下光斑在一个脉冲时长内先大后小，在激光直接驱动聚变中可使得激光焦斑随内爆靶丸缩小，从而提高激光与靶的耦合效率。
对于准分子激光而言，目前国际上主要采用美国海军实验室的Lehmberg等(Fusion Technology，1987，Vol.11，p532-541)所提出的基于像传递技术和电光开关削波的变焦辐照技术，该实验室于2013年报道了变焦辐照相关的实验(Kehne,et al.,Reviewof Scientific Instruments,2013.84(1):p.013509)。该技术采用“分束片分束—电光削波开关波形切割—不同大小物孔成像—合束”的技术路线。该技术路线的缺陷在于：
一、先分束、后切割波形使得入射光脉冲的能量没有充分利用，即在每一路光切割波形的过程中均存在光脉冲的能量浪费；
二、由于在切割波形的过程中，各子束之间没有直接的关联，因此在合束后所形成的光脉冲很难复原入射光脉冲波形。
发明内容
本发明提出了一种基于电光削波开关直接分束并切割脉冲波形的方法，同时保证各子光路总光程相等，以解决分束和切割波形过程所带来的能量损失和波形失真问题，只用一套电光削波开关就实现二台阶变焦辐照。同时，在子光束中以不同大小物孔与成像透镜配合，以实现焦斑随时间的变化。
本发明的技术内容如下：
一种脉冲激光变焦辐照装置，包括光分割单元、像传递单元和光合束成像单元；光分割单元包括起偏器、电光晶体、检偏器和反射光反射镜，像传递单元包括透射光路光阑、透射成像透镜、反射光阑和反射成像透镜，光合束成像单元包括透射光反射镜、合束起偏器和输出成像镜；
脉冲激光依次经起偏器、电光晶体和检偏器；从检偏器输出的透射光依次入射至透射光路光阑、透射成像透镜和透射光反射镜后，入射至合束起偏器，再经输出成像镜输出；
从检偏器输出的反射光经反射光反射镜、反射光路光阑、反射成像透镜后入射至合束起偏器，在合束起偏器内与透射光合束，合束光经输出成像镜输出；
电光晶体与其驱动电源电联接，驱动源与脉冲激光有固定的时间延迟，以获得稳定的同步；透射光和反射光在检偏器和合束起偏器之间的光程相等。
上述脉冲激光变焦辐照装置中，起偏器、检偏器和合束起偏器均为格兰棱镜。
上述脉冲激光变焦辐照装置中，电光晶体为KD*P晶体。
上述脉冲激光变焦辐照装置中，透射光阑置于透射成像透镜的前焦点处；反射光阑置于反射成像透镜的前焦点处。
上述脉冲激光变焦辐照装置中，透射光阑的直径小于反射光阑的直径，且二者都小于等于光束半径。
上述脉冲激光变焦辐照装置中，电光晶体的驱动电源触发电信号的时间宽度大于激光脉冲宽度的一半，且与激光脉冲之间有固定的时间延迟。
上述脉冲激光变焦辐照装置中，脉冲激光为准分子激光。
本发明具有的有益技术效果如下：
一、只用一套电光削波开关就实现二台阶变焦辐照，而原有的技术方案中，实现二台阶变焦辐照至少需要二套电光削波开关；
二、入射光脉冲能量被完全利用，解决了原方案中分束和切割波形过程所带来的能量损失和波形失真问题；
三、本发明还具有可扩展性，根据需要，也可按照相同的分束原理及成像原理，继续增加子光路个数，获得三台阶、甚至更多台阶的变焦辐照。
附图说明
图1为本发明二台阶激光变焦装置的原理图；
图2为二台阶变焦辐照过程中光脉冲在前后时间段内焦斑示意图。
附图标记如下：
1—起偏器，2—电光晶体，3—检偏器，4—透射光路光阑，5—透射成像透镜，6—透射光反射镜，7—反射光反射镜，8—反射光路光阑，9—反射成像透镜，10—合束起偏器，11—输出成像镜，13—透射光，14—反射光，17—光脉冲前半段时刻焦斑，18—光脉冲后半段时刻焦斑。
具体实施方式
脉冲激光的变焦辐照就是实现在一个激光脉冲时间内的焦斑大小发生变化的辐照，如图2所示。其核心在于使一个光脉冲的不同位置具有不同的波前，从而使其在聚焦时焦斑随时间改变，这一般需要三部分：光脉冲分束和分割、对分束的光脉冲造物孔并像传递、光脉冲合束并成像。
本发明的基本构思是：鉴于光脉冲波形的分割需要用到电光削波开关(即文献“Review of Scientific Instruments，2013，84，013509”中的Pockels盒及起偏器、检偏器)，即“起偏器—电光晶体—检偏器”结构，可以直接利用检偏棱镜作为分光镜，同时实现光脉冲的分束和分割，这样，入射的光脉冲就可以完全被分配到各路子光束中，避免了入射激光能量的损失，同时保证了各子束在等光程叠加时能够恢复成入射脉冲。
为此本发明设计了脉冲激光变焦辐照装置，如图1所示，包括光分割单元20、像传递单元30和光合束成像单元40，分别实现光脉冲分束与分割、对分束的光脉冲造物孔并像传递、光脉冲合束并成像的功能。
光分割单元20的作用是将一个光脉冲分割为透射光束13和反射光束14两个子脉冲，在波形上它们是入射光脉冲的前后两子部分，被分割后沿不同光路传输；像传递单元30的作用是在透射光13和反射光14中造出两个大小不同的物孔，并经透镜成像传递，即通过像传递单元后的两个子脉冲具有不同的光束和波前；合束成像单元40的作用是将透射光13和反射光14等光程合束，合束后的光脉冲波形与入射脉冲近似相同，且由于合束后光脉冲前后两部分具有不同的光束和波前，在经输出成像镜11后，透射光13和反射光14在输出成像镜11焦面上的焦斑将不同，再考虑到二者在时间上是分开的，所以在输出成像镜焦面上的焦斑大小是随时间呈台阶变化的，从而实现变焦辐照。
光分割单元20包括起偏器1、电光晶体2、检偏器3和反射光反射镜7。将随机偏振态的光脉冲入射至光分割单元20，其中起偏器1与检偏器3的偏振方向垂直，透过起偏器1的光偏振态为起偏器1的偏振态；如果入射光脉冲为偏振光，则沿光轴旋转起偏器1的姿态，使之与入射光的偏振方向相同，以保证入射光最大程度地透过起偏器)，此时仍需保证检偏器3与起偏器1的偏振方向垂直。
电光晶体2的主轴方向与起偏器1的偏振方向相同，在光脉冲的前半部分穿过电光晶体2的过程中，晶体上未施加电压，此时电光晶体2相当于一块普通的玻璃，不改变光的偏振态，那么该部分光将被检偏器3全部反射，经反射光反射镜7反射而成为反射光14。在光的后半部分经过电光晶体2时，在电光晶体2上施加该晶体的半波电压，驱动电压的上升沿时间小于1ns，时间长度大于光脉冲宽度的一半，以保证后半部分光脉冲穿过时均处于工作状态。此时电光晶体2相当于半波片，透过电光晶体2的这部分光脉冲偏振态旋转90度，则这部分光的偏振态与检偏器3相同，能够透过检偏器3成为透射光13，从而同时实现了光脉冲的分束与分割。为保证电光晶体2驱动电压脉冲与光脉冲之间存在稳定的同步，一般用相同的触发源经固定的时间延迟同步触发激光脉冲和电光晶体2的驱动源。
像传递单元30包括透射光路光阑4、透射成像透镜5、反射光阑8、反射成像透镜9。为实现不同大小像的传递，本发明采用的方法是在透射光路13和反射光路14中分别插入透射成像透镜5和反射成像透镜9，透镜焦距相等，在透镜的前焦点处分别插如透射光路光阑4和反射光路光阑8，透射光路光阑4的孔径半径小于反射光路光阑8，同时入射光脉冲的束斑不小于二光阑孔径。根据成像关系，透射光脉冲13和反射光脉冲14的波前分别被光阑4和8所调制，光波前信息中包含了光阑孔径的信息。当两束子脉冲光再次穿过凸透镜时，则在其后焦面上将成与物孔直径呈比例的像。
光合束成像单元40包括透射光反射镜6、合束起偏器10和输出成像镜11。由于两路光的偏振方向互相垂直，因此可以采用偏振棱镜实现合束，即透射光13光经透射光反射镜6反射、与反射光14经由合束起偏器10合束。为保证两路光的光程相等，由检偏器3分光到合束起偏器10合束，采用接近于矩形的平行四边形结构，光程的微小差别通过调节透射光反射镜6至透射光成像透镜5之间的距离实现。两个光脉冲合束后，在合束光路上插入输出成像镜11，根据成像关系，在输出成像镜11的焦面上将成透射光路光阑4和反射光路光阑8的像。考虑到透射光13与反射光14在时间上是有前后之分，且二者合束后在时间紧密相连，在空间光路上重合，因此在一个脉冲时间内就可获得焦点变化的辐照，即变焦辐照。
对于光束的分割与分束，需要说明的是，以上只是将脉冲一次分割的情况，也可根据实际需要更多次地分割和分束，这样就需要N-1(N为分割的子束数目)套电光削波开关。也可根据需要非等分光脉冲，此时需要精细调节电光晶体施加电压的脉宽以及与光脉冲之间的同步关系，一般而言，需要借助精密的时间延迟器。同时也可根据需要，通过调节各电光晶体电压与光脉冲之间的同步关系，将入射光脉冲的不同部分进入任意的光路，如也可将光脉冲的前半部分进入第一路、后半部分进入第二路。
此外，本发明不仅适用于准分子脉冲激光，也适用于一般的脉冲光；不仅适用于二台阶变焦辐照，也适用于更多台阶的变焦辐照。只要采用了上述设计思想和光学结构，均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种脉冲激光变焦辐照装置，其特征在于：包括光分割单元(20)、像传递单元(30)和光合束成像单元(40)；
所述的光分割单元(20)包括起偏器(1)、电光晶体(2)、检偏器(3)和反射光反射镜(7)，所述的像传递单元(30)包括透射光路光阑(4)、透射成像透镜(5)、反射光路光阑(8)和反射成像透镜(9)，所述的光合束成像单元(40)包括透射光反射镜(6)、合束起偏器(10)和输出成像镜(11)；
脉冲激光依次入射至起偏器(1)、电光晶体(2)和检偏器(3)；
从检偏器(3)输出的透射光(13)依次入射至透射光路光阑(4)、透射成像透镜(5)和透射光反射镜(6)后，入射至合束起偏器(10)，再经输出成像镜(11)输出；
从检偏器(3)输出的反射光(14)经反射光反射镜(7)、反射光路光阑(8)、反射成像透镜(9)后入射至合束起偏器(10)，在合束起偏器(10)内与透射光合束，合束光经输出成像镜(11)输出；
所述的电光晶体(2)与其驱动电源电联接；所述的透射光(13)和反射光(14)在检偏器(3)与合束起偏器(10)之间的光程相等。
2.根据权利要求1所述的脉冲激光变焦辐照装置，其特征在于：所述的起偏器(1)、检偏器(3)和合束起偏器(10)均为格兰棱镜。
3.根据权利要求1所述的脉冲激光变焦辐照装置，其特征在于：所述的电光晶体(2)为KD*P晶体。
4.根据权利要求1所述的脉冲激光变焦辐照装置，其特征在于：所述的透射光路光阑(4)置于透射成像透镜(5)的前焦点处；所述的反射光路光阑(8)置于反射成像透镜(9)的前焦点处。
5.根据权利要求1或4所述的脉冲激光变焦辐照装置，其特征在于：所述的透射光路光阑(4)直径小于反射光路光阑(8)的直径，且二者都小于等于光束半径。
6.根据权利要求1所述的脉冲激光变焦辐照装置，其特征在于：所述电光晶体(2)的驱动电源触发电信号的时间宽度大于激光脉冲宽度的一半，且与激光脉冲之间有固定的时间延迟。
7.根据权利要求1所述的脉冲激光变焦辐照装置，其特征在于：所述的脉冲激光为准分子激光。
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