CN105652463A - 利用近匀强磁场抑制真空滤波器堵孔效应的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用近匀强磁场抑制真空滤波器堵孔效应的方法，解决了目前传统真空滤波器由于高功率脉冲激光聚焦后的焦斑旁瓣(下称“‘裙边’”)作用于滤光元器件(下称“小孔”)的边缘产生的自由扩散的金属等离子体阻隔了激光脉冲后沿的通过而无法完美滤波的问题。本发明基于传统的真空滤波器，在其小孔处施加一定大小的近匀强磁场，使得高功率脉冲激光聚焦的裙边在小孔边缘产生的金属等离子体黏附在磁感线方向运动，降低了小孔中心处的等离子体密度，有效地解决了传统真空滤波器存在的堵孔效应，从而实现了传统真空滤波器良好滤波的作用。本发明具有调节方便、简单高效、实用性强等特点。

Description

利用近匀强磁场抑制真空滤波器堵孔效应的方法

技术领域

本发明涉及大型高功率脉冲激光装置领域和等离子体领域，特别涉及一种抑制传统真空滤波器堵孔效应的方法。

背景技术

在高功率脉冲激光装置领域中，泵浦光和信号光中各级放大器放大的不均匀性和小尺度自聚焦效应等已成为影响近场光束质量的主要原因，因而提高激光近场光斑的均匀性对于高功率脉冲激光装置负载能力的提升有着不可替代的作用。

在拍瓦级高功率脉冲激光装置研究的近几年时间内，尽管各级泵浦光与信号光光束质量的逐步完善，各类光学元器件损伤阈值的逐步提高以及相应的AO主动补偿技术的引进，都难免存在一定的损伤问题。所以，基于傅里叶变换原理的传统真空滤波器在高功率脉冲激光装置中是不可或缺的。

传统真空滤波器是指，在高真空状态下，由前后两个透镜和针孔式滤光元器件所组成的空间滤波器。传统的真空滤波器在设计上依据“4f”系统，激光经过透镜聚焦，以透镜傅里叶变换形式在焦点处形成频谱，通过真空滤波器的小孔选取所需的角谱，滤去不必要的高频分量，除去有害的杂光。但是在实际的高功率脉冲激光装置中，随着放大级数不断增加以及光斑尺寸越来越大，由于激光束自身的发散角以及各种空间调制的作用，使得激光远场焦斑处存在一定的“裙边”，这些“裙边”与真空滤波器的小孔边缘作用产生少量的金属等离子体漂浮在小孔表面，使得高功率激光的脉冲后沿无法继续通过小孔，影响了真空滤波器的滤波作用，即所谓的“堵孔效应”。

目前先进的高功率激光装置之所以继续沿用传统的真空滤波器是因为其具有通光口径大、调试简单、维护方便、象差小和滤光效果明显等特点，这是其他新型或改进型真空滤波器无法替代的。一般来讲，当激光光斑较小、能量密度较低时，光束的发散角相对比较小，空间分布也比较均匀，堵孔效应不明显。只有当激光经过多级放大、扩束、再放大、再扩束后，光斑尺寸较大、能量密度较高、空间调制明显、发散角较大时，传统的真空滤波器才会存在明显的堵孔效应。所述的传统真空滤波器的“堵孔效应”是指高功率脉冲激光聚焦的“裙边”与小孔边缘作用产生的等离子体因自由扩散作用漂浮到小孔中心，阻隔了高功率脉冲激光的脉冲后沿继续通过小孔，使得传统真空滤波器无法完美滤波。

中国专利201320775747.5公开了一种低截止频率的空间滤波器，该实用新型专利虽然在传统真空滤波器前加装布拉格体光栅可以减少传统真空滤波器的堵孔效应，但是，该专利所用的布拉格体光栅不仅存在着损伤阈值较低，还存在着自身尺寸限制的问题。这对于激光光斑较大且注入激光能量密度较高的大型传统真空滤波器并不适用，而且在传统真空滤波器前加装布拉格体光栅会引入一定的象差，对于高功率脉冲激光后续的压缩过程会产生额外的影响。

因此，针对上述情况，有必要提出利用近匀强磁场抑制真空滤波器的堵孔效应的方法。

发明内容

本发明的目的是克服上述传统真空滤波器易产生的堵孔效应，提供利用近匀强磁场抑制真空滤波器的堵孔效应的方法，利用近匀强磁场作用于由高功率脉冲激光聚焦后的裙边打到小孔边缘产生的金属等离子体，从而有效抑制传统真空滤波器中的堵孔效应。

为了实现上述发明目的，本发明的技术解决方案如下：

通过在传统真空滤波器的小孔处施加近匀强磁场，降低了小孔中心处的等离子体密度，有效的抑制了传统真空滤波器的堵孔效应。

一种利用近匀强磁场抑制真空滤波器堵孔效应的方法，具体步骤如下：

步骤1、以真空滤波器中小孔的横截面为XY面，将第一空心螺线圈与同第一空心螺线圈规格参数相同的第二空心螺线圈沿Z轴固定在真空滤波器中小孔的前后两端，使近匀强磁场的磁感线方向与XY面垂直；

步骤2、将连通第一空心螺线圈正极的第一导线引到真空滤波器的外面与可调谐的直流电源的正极相连，将连通第二空心螺线圈负极的第二导线引到真空滤波器(6)外面与可调谐的直流电源的负极相连，再将第一空心螺线圈的负极与第二空心螺线圈的正极相连，形成一个整体串联的回路；

步骤3、调整可调谐的直流电源的电压，使其满足所需电流强度，该电流强度的计算公式如下：

I＝B/μ₀/n₀

其中B是磁场强度，单位为(T)，μ₀为真空磁导率，n₀为第一空心螺线圈单位长度的线圈数。

当小孔处有近匀强磁场时，激光经过小孔产生的等离子体受到外界磁场约束，其膨胀渐进速度可表示为：

$\frac{v_2}{v_1}={(1-\frac{1}{\mathrm{\β}})}^{1/2}$

其中，v₁，v₂为渐进等离子体膨胀速度，β为等离子体的参数，可表示为：

$\mathrm{\β}=\frac{8{\mathrm{\πnkT}}_e}{B^2}$

其中，n是电子密度，单位为(cm^-3)，k是波尔兹曼常数，T_e是电子温度，单位为(eV)，B是磁场强度，单位为(T)。当β≈1，即等离子体膨胀速度几乎保持不变时，算得的磁场强度B为所求。

计算可调谐的直流电源所需调节的电压，可表示为：

V＝IR

其中R是第一空心螺线圈和第二空心螺线圈的串联电阻，单位为(Ω)；

优选的，该方法还包括：步骤4、当入射激光沿Z轴经过真空滤波器的前透镜，在小孔处聚焦滤波，然后经后透镜形成出射激光，再根据该出射激光的近场光斑的均匀性情况，微调可调谐的直流电源的电压，使空间滤波器达到有效抑制堵孔效应的效果。

所述的由高功率脉冲激光聚焦后的裙边作用在传统真空滤波器中小孔边缘产生的金属等离子体，在近匀强磁场作用下，等离子体往往会黏附在磁感线上运动，带正电的离子顺着磁感线方向围绕磁感线作螺旋线运动，带负电的电子逆着磁感线方向围绕磁感线作螺旋线运动，这使得小孔中心处的等离子体密度降低。

所述的近匀强磁场磁感线方向定义为与传统真空滤波器中小孔的横截面(XY面)垂直，即与高功率脉冲激光传输方向(Z方向)相同。磁场强度通过外部可调谐的直流电源调节，具体磁场强度的计算需根据高功率脉冲激光的裙边与小孔边缘作用产生的金属等离子体的电子密度与电子温度而定。

经过计算可知，当磁场强度合适，使得等离子体的参数为1时，根据磁流体动力学，等离子体被完全约束并黏附在磁感线上运动，带正电的离子顺着磁感线方向围绕磁感线作螺旋线运动，带负电的电子逆着磁感线方向围绕磁感线作螺旋线运动，这使得等离子体被束缚在小孔边缘的磁感线方向上，并且在XY平面内等离子体没有向小孔中心自由扩散的运动趋势，从而阻止了小孔边缘附近的等离子体因自由扩散而向小孔中心汇聚，有效地解决了现有技术中传统真空滤波器存在的堵孔效应。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)解决了高功率脉冲激光在传统真空滤波器中的堵孔效应；

2)不仅通用于所有规格的传统真空滤波器，而且传承了传统真空滤波器所具有的通光口径大、调试简单、维护方便、象差小和滤光效果明显等优点；

3)具有调节方便、简单高效、实用性强等特点。

附图说明

图1是利用磁场抑制真空滤波器堵孔效应的整体结构示意图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例子对本发明进行详细的说明。

本发明为了实现抑制传统真空滤波器的堵孔效应的目的，提出了一种利用近匀强磁场作用于小孔的方法。

具体实施方式归结如下：

步骤1、以真空滤波器中小孔的横截面为XY面，将第一空心螺线圈1与同第一空心螺线圈1规格参数相同的第二空心螺线圈2沿Z轴固定在真空滤波器中小孔3的前后两端，使近匀强磁场的磁感线方向与XY面垂直；

步骤2、将连通第一空心螺线圈1正极的第一导线4引到真空滤波器6的外面与可调谐的直流电源7的正极相连，将连通第二空心螺线圈2负极的第二导线5引到真空滤波器6的外面与可调谐的直流电源7的负极相连，再将第一空心螺线圈1的负极与第二空心螺线圈2的正极相连，形成一个整体串联的回路；

步骤3、调整可调谐的直流电源7的电压，使其满足所需电流强度，该电流强度的计算公式如下：

I＝B/μ₀/n₀

其中B是磁场强度，单位为(T)，μ₀为真空磁导率，n₀为第一空心螺线圈1单位长度的线圈数。

当小孔处有近匀强磁场时，激光经过小孔产生的等离子体受到外界磁场约束，其膨胀渐进速度可表示为：

$\frac{v_2}{v_1}={(1-\frac{1}{\mathrm{\β}})}^{1/2}$

其中，v₁，v₂为渐进等离子体膨胀速度，β为等离子体的参数，可表示为：

$\mathrm{\β}=\frac{8{\mathrm{\πnkT}}_e}{B^2}$

其中，n是电子密度，单位为(cm^-3)，k是波尔兹曼常数，T_e是电子温度，单位为(eV)，B是磁场强度，单位为(T)。当β≈1，即等离子体膨胀速度几乎保持不变时，算得的磁场强度B为所求。从而计算可调谐的直流电源7所需调节的电压，可表示为：

V＝IR

其中R是第一空心螺线圈1和第二空心螺线圈2的串联电阻，单位为(Ω)；

步骤4、当入射激光8沿Z轴经过真空滤波器6的前透镜9，在小孔3处聚焦滤波，然后经后透镜10形成出射激光11，再根据该出射激光11的近场光斑的均匀性情况，微调可调谐的直流电源7的电压，使空间滤波器6达到有效抑制堵孔效应的效果。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种利用近匀强磁场抑制真空滤波器堵孔效应的方法，其特征在于，该方法通过在真空滤波器的小孔处施加近匀强磁场，阻止了小孔表面附近的等离子体向小孔中心汇聚，降低了小孔中心处的等离子体密度。

2.根据权利要求1所述的利用近匀强磁场抑制真空滤波器堵孔效应的方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1、以真空滤波器中小孔的横截面为XY面，将第一空心螺线圈(1)与同第一空心螺线圈(1)规格参数相同的第二空心螺线圈(2)沿Z轴固定在真空滤波器中小孔(3)的前后两端，使近匀强磁场的磁感线方向与XY面垂直；

步骤2、将连通第一空心螺线圈(1)正极的第一导线(4)引到真空滤波器(6)的外面与可调谐的直流电源(7)的正极相连，将连通第二空心螺线圈(2)负极的第二导线(5)引到真空滤波器(6)的外面与可调谐的直流电源(7)的负极相连，再将第一空心螺线圈(1)的负极与第二空心螺线圈(2)的正极相连，形成一个整体串联的回路；

步骤3、调整可调谐的直流电源(7)的电压，使其满足所需电流强度，该电流强度的计算公式如下：

I＝B/μ₀/n₀

计算可调谐的直流电源(7)所需调整的电压，公式如下：

V＝IR

其中R是第一空心螺线圈(1)和第二空心螺线圈(2)的串联电阻，单位为(Ω)。

3.根据权利要求2所述的利用近匀强磁场抑制真空滤波器堵孔效应的方法，其特征在于，该方法还包括

步骤4、入射激光(8)沿Z轴经过真空滤波器(6)的前透镜(9)，在小孔(3)处聚焦滤波，然后经后透镜(10)形成出射激光(11)，再根据该出射激光(11)的近场光斑的均匀性情况，微调可调谐的直流电源(7)的电压，使空间滤波器(6)达到有效抑制堵孔效应的效果。