CN104570362B - 带衰减功能的双通道光学缩束装置 - Google Patents

Abstract

一种带衰减功能的双通道光学缩束装置，其特点在于该装置包括，沿入射光方向的第一反射分光镜，在第一反射分光镜的反射光方向依次是第一透镜、选通小孔板、第二透镜和第二反射分光镜，在第二反射分光镜的反射光方向是近场平移镜，该近场平移镜与该反射光成45°，在所述的近场平移镜的反射光方向依次是准直分光镜、准直监测单元，在所述的准直分光镜的反射光方向依次是诊断反射镜和诊断设备。本发明可以实现高衰减通道和低衰减通道的快速、准确切换，满足不同输出能量的使用要求。

Description

带衰减功能的双通道光学缩束装置

技术领域

本发明涉及超短脉冲，特别是一种带衰减功能的双通道光学缩束装置，用于实现大能量的超短脉冲的光束口径变换，为后续的激光参数诊断和测试设备提供全口径范围的、低B积分、抗损伤的光学缩束装置。

背景技术

在激光参数的诊断和分析过程中，普遍采用了光学缩束系统，用于被测脉冲的光束直径变换，实现被测脉冲与后续测试设备的耦合。李超宏在2006年申请了发明专利《基于分光棱镜的光电成像跟踪系统》，张行愚在2010年申请了发明专利《固体材料拉曼增益系数测量系统及方法》，梁静秋在2014年申请了发明专利《时空联合调制傅里叶变换红外成像光谱仪》，付建国在2014年申请了发明专利《一种地基F-P测风干涉仪》，李国会在2014年申请了发明专利《一种快速倾斜镜性能测试装置》，均使用了光学缩束系统。

在高功率激光的诊断和分析领域，激光脉冲的取样和测量过程，也广泛采用了光学缩束装置。夏彦文在2009年申请了发明专利《一种用于高功率激光测试系统的光纤耦合方法》，孙志红在2010年申请了发明专利《高功率激光近场测试仪》，张辉在2012年申请了发明专利《诊断激光等离子体参数的单光束飞秒探针》，陈永权在2012年申请了发明专利《离焦量测试系统及测试方法》，金博在2013年申请了发明专利《在线焦斑能量分布检测方法》，孙志红在2014年申请了发明专利《一种激光脉冲波形测量装置》，均使用了光学缩束系统。

随着高功率激光装置的技术发展，皮秒量级和飞秒量级的超短脉冲的输出能量也越来越高。位于美国Rochester大学OMEGA EP装置中的单束超短脉冲，是目前输出能量最高的皮秒量级超短脉冲，脉冲能量(E)能够达到2.6kJ，脉冲宽度(Δt)为1-100ps。依托于神光II第九路激光系统建设的高能超短脉冲激光，其输出能力将达到1000J、1-10ps。

在高功率激光的诊断系统中，由于光学缩束系统的存在，光束直径d将发生变化。输出光束的直径d₂远小于输入光束的直径d₁。因此，由光束直径决定的光束横截面积(S＝πd²/4)将呈平方关系缩小。这将导致输出光束中的能量密度(E/(S))和功率密度(I＝E/(St))呈平方关系增加。与传统的激光脉冲不同，皮秒量级和飞秒量级的超短脉冲由于脉冲宽度很窄，因此具有极高的功率密度，很容易产生自位相调制和自聚焦效应，从而使脉冲宽度发生畸变，甚至损伤光学元件。

发明内容

为了降低输出光束的功率密度I，并且尽可能避免插入额外的光学元件所造成的超短脉冲的宽度、时间波形变化，提高超短脉冲诊断系统的可靠性和精确度，本发明提出一种带衰减功能的双通道光学缩束装置，在高能超短脉冲的参数诊断中，避免光学缩束装置在缩小光束直径和面积的过程中导致的光束功率密度和能量密度的快速增加，进而改变被测脉冲的宽度、时间波形，甚至破坏光学元件。

本发明的技术解决方案是：

一种带衰减功能的双通道光学缩束装置，其特点在于该装置包括，沿入射光方向的第一反射分光镜，在第一反射分光镜的反射光方向依次是第一透镜、选通小孔板、第二透镜和第二反射分光镜，在第二反射分光镜的反射光方向是近场平移镜，该近场平移镜与该反射光成45°，在所述的近场平移镜的反射光方向依次是准直分光镜、准直监测单元，在所述的准直分光镜的反射光方向依次是诊断反射镜和诊断设备；所述的第一反射分光镜的前表面反射率为R＝4％，后表面反射率为R>90％；第二反射分光镜的前表面反射率为R＝10％，后表面的反射率为99％；所述的入射光依次经第一反射分光镜的前表面反射、第一透镜、选通小孔板、第二透镜和第二反射分光镜的前表面反射形成高衰减脉冲；所述的入射光依次经第一反射分光镜的后表面反射、第一透镜、选通小孔板、第二透镜和第二反射分光镜的后表面反射形成低衰减脉冲，所述的近场平移镜具有沿其反射光方向的移动机构，所述的选通小孔板的0°、90°、180°、360°的直径与内圆和外圆的相交点分别设为内通孔、外通孔和内非通孔、外非通孔的四套小孔组合：有内通孔和外非通孔第一小孔组合、有外通孔和内非通孔的第二小孔组合、有内通孔和外通孔的第三小孔组合、有内非通孔和外非通孔的第四小孔组合。

所述的第一透镜和第二透镜为正透镜或负透镜。

所述的第一反射分光镜的前表面和后表面的夹角，小于100秒。以确保入射光经过双通道光学缩束装置之后的光学像差小于λ/4(λ为入射光的波长)；

所述的近场平移镜的平移的重复定位误差小于0.5mm，平移的俯仰、偏摆等角度误差小于1mrad。

本发明的技术效果如下：

1)采用双通道的结构，使光学缩束装置具有两种不同的衰减倍率；

2)高衰减通道，用于超短脉冲的高能量输出状态；

3)低衰减通道，用于超短脉冲的低能量输出状态；

通过采用该技术方案，在高能超短脉冲的参数诊断过程中，能够降低被测脉冲直径和面积缩小之后的极高的功率密度和能量密度，避免光学元件的损伤风险，同时不改变被测脉冲的宽度和时间波形。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构简图，在高能超短脉冲参数诊断中用于缩小被测脉冲的光束直径和面积，工作于高能量输出状态；

图2是本发明实施例2的结构简图,用于高能超短脉冲小能量状态下的参数诊断，工作于低能量输出状态。

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。

当高能超短脉冲按设计值工作时，输出状态为：能量1000J，脉宽1-10ps可调，对应的功率为10⁺¹⁵W。在本发明所提出的技术方案中，为了实现该条件下激光脉冲的参数诊断，高能超短脉冲经过一块取样镜之后，成为被测脉冲1。取样镜的透过率为T＝1.5％。被测脉冲1首先进入第一分光镜2，然后经过第一透镜3、选通小孔板4、第二透镜5入射到双通道第二分光镜6上。被测脉冲1离开第二分光镜6之后，输出两个角度上相互平行、空间上相互分离的诊断脉冲，即实线所示的高衰减脉冲7、虚线所示的低衰减脉冲8。这两个诊断脉冲经过近场平移镜9之后，入射到准直分光镜10上。在准直分光镜10之后，透射部分进入准直监测单元11，反射部分由诊断反射镜12导入诊断设备13。

第一分光镜2的前表面反射率为R＝4％，后表面反射率为R>90％。第二分光镜6的前表面反射率为R＝10％，后表面反射率为R>99％。因此，被测脉冲经过第一分光镜2和第二分光镜6的前表面组成的高衰减通道之后，透过率为T＝4％×10％＝4×10^-3，能量和功率的衰减倍率为250倍；经过第一分光镜2和第二分光镜6的后表面组成的低衰减通道之后，透过率为T＝(1-4％)×90％×(1-4％)×(1-10％)×99％×(1-10％)＝0.6651，能量和功率的衰减倍率约为1.5倍。

选通小孔板4的上设有四套小孔组合：小孔板第一组合14、小孔板第二组合15、小孔板第三组合16、小孔板第四组合17。小孔板第一组合14用于实现高衰减脉冲的导通和低衰减脉冲的截止，小孔板第二组合15用于实现高衰减脉冲的截止和低衰减脉冲的导通，小孔板第三组合16用于实现高衰减脉冲和低衰减脉冲的同时导通，小孔板第四组合17用于实现高衰减脉冲和低衰减脉冲的同时截止。

为了确保诊断设备13的正常工作，双通道光学缩束装置的工作流程如下：

1)高衰减通道状态时，选通小孔板4旋转到小孔板第一组合14位置，导通图1中的实线所示高衰减脉冲7，截止虚线所示的低衰减脉冲8；接着，近场平移镜9移动到实线位置，使用准直监测单元11记录并计算此时的被测脉冲落点。

2)低衰减通道状态时，选通小孔板4旋转到小孔板第二组合15位置，导通图2中的虚线所示的低衰减脉冲8，截止实线所示的高衰减脉冲7；接着，近场平移镜9移动到虚线位置，使用准直监测单元11记录并计算此时的被测脉冲落点。

根据高能超短脉冲的设计输出能量1000J、调试状态时输出能量7.24J、脉冲宽度1ps、取样率1.5％，计算了被测脉冲在双通道光学缩束装置中的能量密度、功率密度，及其对应的B积分。计算结果如表1所示。

表1带衰减功能的光学缩束装置在高能超短脉冲下的工作特性

注：被测脉冲的直径为32cm，面积为804.25cm²；经过光学缩束透镜之后的光束直径为4cm，面积为12.57cm²。

从表1中可以看到，由于采用了带衰减功能的光学缩束装置，高能超短脉冲在1000J、1ps的输出状态下，也能够有效地降低光学元件的能量密度和功率密度，避免光学元件的损伤，以及降低B积分对脉冲宽度、时间波形的影响。同时，在高能超短脉冲的相关设备调试过程中，输出能量为7.24J左右，经过该带衰减功能的光学缩束装置之后，能量密度和功率密度与1000J输出状态时相差不大，能够实现大多数相关设备的性能测试和考核。

Claims (4)

1.一种带衰减功能的双通道光学缩束装置，其特征在于该装置包括，沿入射光(1)方向的第一反射分光镜(2)，在第一反射分光镜(2)的反射光方向依次是第一透镜(3)、选通小孔板(4)、第二透镜(5)和第二反射分光镜(6)，在第二反射分光镜(6)的反射光方向是近场平移镜(9)，该近场平移镜(9)与该第二反射分光镜(6)的反射光成45°，在所述的近场平移镜(9)的反射光方向依次是准直分光镜(10)、准直监测单元(11)，在所述的准直分光镜(10)的反射光方向依次是诊断反射镜(12)和诊断设备(13)，所述的第一反射分光镜(2)的前表面反射率为R＝4％，后表面反射率为R>90％；第二反射分光镜(6)的前表面反射率为R＝10％，后表面的反射率为99％；所述的入射光(1)依次经第一反射分光镜(2)的前表面反射、第一透镜(3)、选通小孔板(4)、第二透镜(5)和第二反射分光镜(6)的前表面反射形成高衰减脉冲(7)；所述的入射光(1)依次经第一反射分光镜(2)的后表面反射、第一透镜(3)、选通小孔板(4)、第二透镜(5)和第二反射分光镜(6)的后表面反射形成低衰减脉冲(8)；所述的近场平移镜(9)具有沿其反射光方向的移动机构，所述的选通小孔板(4)的0°、90°、180°、360°的直径与内圆和外圆的相交点分别设为内通孔、外通孔和内非通孔、外非通孔的四套小孔组合：有内通孔和外非通孔第一小孔组合(14)、有外通孔和内非通孔的第二小孔组合(15)、有内通孔和外通孔的第三小孔组合(16)、有内非通孔和外非通孔的第四小孔组合(17)。

2.根据权利要求1所述的光学缩束装置，其特征在于所述的第一透镜(3)和第二透镜(5)为正透镜或负透镜。

3.根据权利要求1所述的光学缩束装置，其特征在于所述的第一反射分光镜的前表面和后表面的夹角，小于100秒。

4.根据权利要求1至3任一项所述的光学缩束装置，其特征在于所述的近场平移镜的平移的重复定位误差小于0.5mm，平移的俯仰、偏摆等角度误差小于1mrad。