CN104538833A - 一种四倍频激光终端光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种四倍频激光终端光学系统，组成包括：二倍频晶体、基频吸收玻璃、聚焦透镜、真空窗口、四倍频晶体和屏蔽片。本发明利用了非临界相位匹配技术对光束发散角不敏感的特点，将四倍频晶体放在聚焦透镜后，不仅保证四倍频激光的转换效率不受影响，而且能够减少紫外段光学元件的数量和厚度，缓解紫外段光学元件的严重损伤。该系统输出的二倍频激光与四倍频激光严格共焦，可以提供两种波长激光的混合打靶，并提高基频激光能量的利用率。
Description
技术领域
本发明属于高功率激光系统领域，具体涉及一种应用于高功率激光驱动器的高能量四倍频激光终端光学系统。
背景技术
惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion,ICF)是实现可控热核聚变的有效途径之一，世界各大国均在积极开展相关研究。目前已建成和正在建造的有多台大型激光装置用于ICF研究，例如美国NIF装置，法国LMJ装置，中国神光系列装置等。由于钕玻璃激光具有输出大能量且易于控制的特点，所以大部分装置都基于钕玻璃激光进行设计。为了抑制打靶过程中的激光等离子体不稳定(Laser Plasam Instablity,LPI)问题，需要将钕玻璃近红外激光进行频率转换，变成波长更短的三倍频紫外激光，但是近期的物理实验结果并不如预期理想，仍然存在严重的LPI问题，特别是柱腔靶内环光束，束靶耦合效率低，靶丸对称性差，从而大大影响了物理实验的结果。采用钕玻璃三倍频激光打靶还存在另外一个严重的工程问题，三倍频激光终端光学系统(主要完成频率转换和光束聚焦功能)的紫外段光学元件损伤严重，增加了装置的运行成本，降低了装置的运行效率。实际上，理论和实验都表明进一步缩短激光波长能够有效改善LPI问题，但是如前所述，三倍频激光终端光学系统已面临严重的损伤问题，四倍频激光终端光学系统将会更加严重，本发明的提出正是为了解决这个问题。
发明内容
本发明针对目前三倍频激光终端光学系统存在的缺陷，提供一种既能够输出高能量四倍频激光，又能够缓解紫外段严重损伤问题的四倍频激光终端光学系统。
本发明提供的技术方案为：
一种四倍频激光终端光学系统，包括：
用于发射基频激光的基频光源；
二倍频晶体，其设置在所述基频光源的光路下游，将所述基频光源发射的基频激光转换为二倍频激光；
聚焦透镜，其设置在所述二倍频晶体的光路下游，将所述二倍频激光聚焦；
四倍频晶体，其设置在所述聚焦透镜的光路下游，将聚焦后的所述二倍频激光转换为四倍频激光；以及
温控系统，其与所述四倍频晶体连接，控制所述四倍频晶体的温度；
其中，所述基频光源发射的基频激光依次通过所述二倍频晶体、所述聚焦透镜和所述四倍频晶体，最终转换为四倍频激光打到靶上。
优选的是，所述的四倍频激光终端光学系统中，还包括：用于吸收基频激光的基频吸收玻璃，所述基频吸收玻璃设置在所述二倍晶体的光路下游，且所述基频吸收玻璃位于所述二倍频晶体与所述聚焦透镜之间。
优选的是，所述的四倍频激光终端光学系统中，还包括：用于密封打靶真空环境的真空窗口；即所述靶处于所述真空环境中，或所述四倍频晶体、所述屏蔽片和所述靶处于真空环境中。
优选的是，所述的四倍频激光终端光学系统中，还包括：用于阻挡打靶产生碎片的屏蔽片，所述屏蔽片设置在所述四倍频晶体的光路下游。
优选的是，所述的四倍频激光终端光学系统中，所述屏蔽片为平板或楔板，其中楔板为小角度楔形板。
优选的是，所述的四倍频激光终端光学系统中，所述基频光源为钕玻璃近红外激光。
本发明针对目前三倍频激光终端光学系统存在的缺陷，设置了一种四倍频激光终端光学系统。利用非临界相位匹配技术对光束发散角不敏感的特点，将四倍频晶体放在聚焦透镜后，既能够保证四倍频激光转换效率不受影响，提供物理实验更短波长的高能量紫外激光，显著改善ICF物理实验中的LPI问题，又能够减少紫外段光学元件的数量和厚度，大大缓解严重的紫外损伤风险。本发明的二倍频激光与四倍频激光严格共焦，可以提供两种波长激光的混合打靶，并提高基频激光能量的利用率。
附图说明
图1为四倍频激光终端光学系统的结构示意图。
图2为楔板屏蔽片四倍频激光终端光学系统的结构示意图。
图3为二倍频激光终端光学系统的结构示意图
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。
如图1所示，一种四倍频激光终端光学系统，包括：基频光源、二倍频晶体1、基频吸收玻璃2、聚焦透镜3、真空窗口4、四倍频晶体5、屏蔽片6和温控系统。
二倍频晶体1位于基频光源的光路下游，聚焦透镜3位于二倍频晶体1的光路下游，四倍频晶体5位于聚焦透镜3的光路下游，基频吸收玻璃2位于二倍频晶体1与聚焦透镜3之间，真空窗口4位于聚焦透镜3与四倍频晶体5之间，屏蔽片6位于四倍频晶体5的光路下游。
二倍频晶体1、基频吸收玻璃2、聚焦透镜3、真空窗口4、四倍频晶体5和屏蔽片6固定在不同的夹持镜架上，温控系统通过夹持镜架对四倍频晶体5精确控温；真空窗口4密封打靶要求的真空环境，并将光路所在的气氛环境分为两段，上游为大气，下游为真空，四倍频晶体5和屏蔽片6位于真空窗口4下游的真空环境。
基频光源发射基频激光，该基频激光依次通过二倍频晶体1、基频吸收玻璃2、聚焦透镜3、真空窗口4、四倍频晶体5和屏蔽片6，最终转换为四倍频激光打靶。其中，基频光源为钕玻璃近红外激光，四倍频晶体5采用部分掺氘DKDP(磷酸二氘钾)晶体。
二倍频晶体1用于将基频光源发射的基频激光转换为二倍频激光，基频吸收玻璃2吸收未被二倍频晶体1转换的基频激光，聚焦透镜3将二倍频激光聚焦，真空窗口4密封打靶要求的真空环境，四倍频晶体5将二倍频激光转换为四倍频激光，屏蔽片6阻挡打靶产生的碎片，保护上游昂贵的光学元件。
当屏蔽片6为平板时，由于剩余二倍频激光与四倍频激光共焦，本四倍频激光终端光学系统能够提供两种波长激光的混合打靶，即打靶激光焦斑为二倍频激光与四倍频激光焦斑的叠加。
当屏蔽片6改为小角度(小于1°)楔板，如图2所示楔板屏蔽片7，它对四倍频焦斑的影响很小，剩余二倍频激光焦斑与四倍频激光焦斑被分开一定的距离，能够提供干净的高能量四倍频激光打靶，满足特殊物理实验的要求。
当去掉四倍频晶体5，如图3所示，本四倍频激光终端光学系统变为二倍频激光终端光学系统，能够提供干净的高能量二倍频激光打靶，满足特殊物理实验的要求。
本发明依据的原理：
由于晶体非临界相位匹配对角度不敏感，同时聚焦透镜3的F数一般较大，使会聚光束的张角小于或者接近四倍频晶体5的角度接受带宽，所以会聚光束不影响四倍频激光转换效率。以70％掺氘DKDP晶体为例，理论和实验证实，对于钕玻璃二倍频激光来说，四倍频非临界相位匹配温度在室温20℃附近，厚度6mm晶体的四倍频激光转换效率超过80％，角度接受带宽65mrad，是同样厚度KDP(磷酸二氢钾)晶体临界相位匹配角度接受带宽的大约20倍，设聚焦透镜焦距为8m，光束口径400mm×400mm，则会聚光束的张角等于50mrad，小于65mrad的非临界相位匹配角度接受带宽。
四倍频晶体5位于真空环境，温控系统通过夹持镜架对四倍频晶体5精确控温，满足非临界相位匹配的要求。一般选择或者设计四倍频晶体5的非临界相位匹配温度在室温附近，这样容易实现大口径四倍频晶体的面均匀精确控温。在常用的KDP同形体晶体中，可以通过改变掺氘量来调节四倍频晶体的非临界相位匹配温度，掺氘浓度越高温度越低；不掺氘ADP(磷酸二氢氨)晶体的非临界相位匹配温度大约30℃，也适合作为四倍频晶体材料。
同样由于晶体非临界相位匹配对角度不敏感，所以大口径四倍频晶体可以通过小口径晶体口径拼接实现，拼接精度要求mrad，工程上容易满足，这样可以大大降低四倍频晶体生长和温度控制的难度，同时能够抑制横向非线性效应TSRS(横向受激拉曼散射)。
聚焦透镜3下游都是平板元件，没有色差，所以剩余二倍频激光与四倍频激光能够共焦打到一点，实现两种波长激光的混合打靶，不但能够增加打靶激光能量，提高基频激光的利用率，而且还能够非相干叠加，实现焦斑的空间匀滑，同样有利于抑制LPI问题。
传统终端光学系统设计先频率转换后聚焦，聚焦透镜等光学元件位于紫外段，紫外光学元件数量和厚度都较多；与传统设计不同，本发明先聚焦后频率转换，屏蔽片6是唯一的紫外光学元件，厚度只有几毫米，且一般当作耗材使用，允许频繁更换，即实现了“零”紫外光学元件系统，紫外光学元件损伤问题自然得到缓解。
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 (6)
1.一种四倍频激光终端光学系统，其特征在于，包括：
用于发射基频激光的基频光源；
二倍频晶体，其设置在所述基频光源的光路下游，将所述基频光源发射的基频激光转换为二倍频激光；
聚焦透镜，其设置在所述二倍频晶体的光路下游，将所述二倍频激光聚焦；
四倍频晶体，其设置在所述聚焦透镜的光路下游，将聚焦后的所述二倍频激光转换为四倍频激光；以及
温控系统，其与所述四倍频晶体连接，控制所述四倍频晶体的温度；
其中，所述基频光源发射的基频激光依次通过所述二倍频晶体、所述聚焦透镜和所述四倍频晶体，打到靶上。
2.如权利要求1所述的四倍频激光终端光学系统，其特征在于，还包括：用于吸收基频激光的基频吸收玻璃，所述基频吸收玻璃设置在所述二倍晶体的光路下游，且所述基频吸收玻璃位于所述二倍频晶体与所述聚焦透镜之间。
3.如权利要求1所述的四倍频激光终端光学系统，其特征在于，还包括：真空窗口，所述真空窗口设置在所述聚焦透镜的光路下游。
4.如权利要求1所述的四倍频激光终端光学系统，其特征在于，还包括：用于阻挡打靶产生碎片的屏蔽片，所述屏蔽片设置在所述四倍频晶体的光路下游。
5.如权利要求4所述的四倍频激光终端光学系统，其特征在于，所述屏蔽片为平板或楔板。
6.如权利要求1～5所述的四倍频激光终端光学系统，其特征在于，所述基频光源为钕玻璃近红外激光。
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