CN106654843A - 一种避免透镜紫外激光损伤的装置及方法 - Google Patents

一种避免透镜紫外激光损伤的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种避免透镜紫外激光损伤的装置及方法，激光器产生的基频光经倍频晶体倍频，倍频光和剩余的基频光直接经聚焦透镜聚焦，在光束会聚的过程中通过拼接晶体和频产生紫外激光，从而避免了熔石英透镜的紫外激光辐照。所述方法主要解决了紫外激光辐照下熔石英透镜容易损伤的问题，聚焦透镜只经受基频光和倍频光辐照，相比于紫外激光辐照，其损伤阈值得以大幅提高，从而得以进一步提升激光驱动器的负载能力，聚焦透镜的材质也得以扩展，可以利用紫外波段透过率低，但制造成本更低、工艺更成熟的K9玻璃代替熔石英。本发明在惯性约束聚变激光驱动器以及高能量激光三倍频领域具有重要意义。

Description

一种避免透镜紫外激光损伤的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种避免透镜紫外激光损伤的装置及方法，特别是涉及到激光光束口径大且能量密度高时的激光三倍频频率转换领域以及激光损伤领域，如惯性约束聚变驱动器领域技术领域。
背景技术
在当前的惯性约束激光驱动器中，基频激光经倍频晶体、和频晶体之后产生的高能量紫外激光必须经熔石英聚透镜聚焦打靶。紫外激光的能量高至兆焦耳，熔石英聚焦透镜极易发生紫外激光辐照损伤的问题限制了激光驱动器能量的进一步提升，成为工程应用中的瓶颈。
当前，在不降低输出紫外激光能量的前提下，避免熔石英聚焦透镜激光损伤的方法通常是提高熔石英熔炼、加工质量，或通过激光预处理提升熔石英透镜的损伤阈值。但是这些方法的提升幅度有限，仍然无法满足工程指标要求。
中国专利文件201520036031.2，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。本实用新型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。但是该专利所采用的非临界相位匹配技术需要精准、复杂的温控系统，由于激光驱动器所用晶体口径大，为防止空气对流影响温控效果，还需要真空环境，这大大增加了工程难度。
中国专利文件201410546550.3，公开了一种非线性光学技术领域的非共线高效率频率转换实现方法，通过将呈一定角度的基频光和倍频光先经过一个聚焦透镜进行预聚焦，然后再经过非线性光学晶体，从而使得产生的三倍频光自动聚焦。本发明采用基频光、倍频光预聚焦的方法，解决了现有技术方案中聚焦透镜易于被紫外波段的谐波损坏的问题，避免了更换聚焦透镜后重新调整光路的步骤。但是该专利技术只适用于小口径激光，并不适用于激光驱动器。原因是非共线相位匹配要求基频光和倍频光呈一定角度入射晶体，需要基频光和倍频光空间分离，相对于传统的共线相位匹配，光路数加倍且有距离要求，这会大大增加靶场光束排布的难度；而且光束交叠处因透镜会聚作用而光斑面积缩小、能量密度增加，容易造成晶体损伤；且该文件同样存在大口径晶体非临界相位匹配温控的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，为了避免熔石英透镜的紫外激光损伤问题，大幅提升惯性约束聚变激光驱动器的负载能力，本发明提出了一种新的三倍频构型方案。
本发明的技术方案如下：
一种避免透镜紫外激光损伤的装置，包括沿光路设置的倍频晶体、聚焦透镜和和频晶体，和频晶体包括拼接的子晶体，倍频晶体用于对基频光的倍频；聚焦透镜用于聚焦倍频光束和剩余的基频光束；拼接的和频晶体用于基频光和倍频光和频产生紫外激光。
根据本发明优选的，所述和频晶体的子晶体一侧设有蓝宝石衬底，蓝宝石衬底用于拼接的子晶体的固定。
根据本发明优选的，和频晶体为LBO晶体。
根据本发明优选的，聚焦透镜的材料为K9玻璃或熔石英，聚焦透镜表面镀有对1053nm和526.5nm激光的增透膜。
相比于先和频再聚焦打靶的传统构型，本发明提出的新的三倍频构型方案中，三倍频晶体置于聚焦透镜之后，倍频晶体产生的倍频光和剩余的基频光经聚焦透镜聚焦，在光束的会聚过程中实现激光合频。会聚光束的发散角较大，因此采用相位匹配接受角较大的LBO晶体代替传统构型中的KDP/DKDP晶体作为和频晶体。单块LBO晶体在θ方向的接受角仍不能满足如此大发散角的会聚光束的相位匹配要求，因此本发明提出利用不同切割角度LBO晶体的拼接技术来实现高效三倍频。
一种避免透镜紫外激光损伤的方法，包括步骤如下：
(1)沿基频光光路设置倍频晶体、聚焦透镜和和频晶体，和频晶体为拼接在一起的子晶体；
(2)根据会聚光束的发散角和和频晶体在θ方向上的接受角(不同的接受角对应不同的转换效率)确定和频晶体的子晶体拼接块数；
(3)将和频晶体的子晶体拼接固定于蓝宝石衬底上。
根据本发明优选的，步骤(2)中，和频晶体的子晶体拼接块数由公式(Ⅰ)获得。
进一步优选的，步骤(2)中，当公式(Ⅰ)不能整除时，子晶体的拼接块数进行进位取整。
进一步优选的，步骤(2)中，会聚光束的发散角根据光束口径和聚焦透镜的焦距获得，通过公式(Ⅱ)反正切运算获得：
会聚光束的发散角＝2×arctan(激光光束半径/聚焦透镜焦距)(Ⅱ)。
根据本发明优选的，步骤(3)中，和频晶体的子晶体之间、子晶体与蓝宝石衬底之间均为光胶连接。以实现多块晶体之间的平整、无缝拼接，减少能量损耗。另外，由于晶体偏薄，通过光胶连接衬底有利于晶体的稳定夹持。
在和频晶体厚度一定的情况下，会聚激光三倍频转换效率的高低(相对于平行光束入射的三倍频转换效率而言)对应LBO晶体内部不同的接受角度，转换效率越高，晶体内部允许的接受角度越小。考虑到晶体的折射效应，晶体外部的接受角约为内部接受角的1.6倍。LBO晶体在方向的接收角高达100mrad，因此在方向上一块晶体即可满足相位匹配，但考虑到晶体生长尺寸的限制，在大口径激光应用中该方向仍然需要拼接。
进一步优选的，步骤(2)中，拼接的子晶体中间一块子晶体的切割角度为20℃条件下的平行光束入射时三倍频切割角θm＝44.7°，
进一步优选的，步骤(2)中，在θ方向上，相邻两个子晶体之间的切割角度差为公式(Ⅲ)所示：
相邻两个子晶体之间的切割角度差＝会聚光束的发散角/晶体的拼接块数(Ⅲ)。
进一步优选的，步骤(2)中，在θ方向上，从中间的一个子晶体依次往上，切割角θ越来越大，依次往下，切割角θ越来越小；在方向上，所有子晶体的切割角均为90°。
各拼接晶体的切割角度不同，以满足会聚光束入射的相位匹配条件。
本发明的有益效果在于：
本发明采用共线、临界相位匹配技术实现会聚光束三倍频，不增加光路，不需要温控。采用切割角度不同的晶体，通过晶体拼接技术满足大口径会聚光束的相位匹配要求，实现会聚光束高效三倍频，避免聚焦透镜的紫外激光辐照，大幅提高惯性约束聚变中激光驱动器的负载能力。
相比于传统的合频之后再聚焦打靶，本发明提出的新构型不仅可以避免熔石英聚焦透镜的紫外激光辐照，提高惯性约束聚变中激光驱动器的负载能力，保护熔石英聚焦透镜，而且聚焦透镜的材质也得以扩展，可以利用紫外波段透过率低，但制造成本更低、工艺更成熟的K9玻璃代替熔石英，具有较低的成本意识和较强的适应推广优势。
附图说明
图1是本发明一种避免透镜紫外激光损伤的装置的结构示意图；
图2是本发明和频晶体拼接结构示意图；图2以九块子晶体为例，九块子晶体拼接实现会聚光束三倍频这一新构型的装置；
图3为本发明和频晶体转换效率与晶体的接受角的对应关系图；
图1中1为倍频晶体、2为聚焦透镜、3为拼接的和频晶体、4为蓝宝石衬底；图2中的A1、A2，B1、B2及C1、C2为不同切割角度的拼接子晶体。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1：
一种避免透镜紫外激光损伤的装置，包括沿光路设置的倍频晶体、聚焦透镜和和频晶体，和频晶体包括拼接的子晶体，倍频晶体用于对基频光的倍频；聚焦透镜用于聚焦倍频光束和剩余的基频光束；拼接的和频晶体用于基频光和倍频光和频产生紫外激光；和频晶体的子晶体一侧设有蓝宝石衬底，蓝宝石衬底用于拼接的子晶体的固定，和频晶体为LBO晶体，如图1所示。
基频光经倍频晶体1倍频，产生的倍频光和剩余的基频光经聚焦透镜2会聚，拼接的和频晶体3和蓝宝石衬底4置于聚焦透镜2的会聚光路上，激光三倍频发生在光束会聚的过程中。拼接的和频晶体3和蓝宝石衬底4要尽可能的靠近聚焦透镜2放置，以放置聚焦产生的高能量密度激光损伤和频晶体。
实施例2：
一种避免透镜紫外激光损伤的方法，包括步骤如下：
(1)沿基频光光路设置倍频晶体、聚焦透镜和和频晶体，和频晶体为拼接在一起的子晶体，和频晶体为LBO晶体；
(2)根据会聚光束的发散角和和频晶体在θ方向上的接受角(不同的接受角对应不同的转换效率)确定和频晶体的子晶体拼接块数；
(3)将和频晶体的子晶体拼接固定于蓝宝石衬底上。
步骤(2)中，和频晶体的子晶体拼接块数由公式(Ⅰ)获得。
当公式(Ⅰ)不能整除时，子晶体的拼接块数进行进位取整。
公式(Ⅰ)中，会聚光束的发散角根据光束口径和聚焦透镜的焦距获得，通过公式(Ⅱ)反正切运算获得：
会聚光束的发散角＝2×arctan(激光光束半径/聚焦透镜焦距)(Ⅱ)。
以光束口径36cm×36cm为例，设定聚焦透镜2的焦距为1000cm，则会聚光束的发散角为：2×arctan(18cm/1000cm)≈36mrad。LBO晶体内(外)部的接受角受晶体厚度的影响，若要实现相同的转换效率，晶体的厚度越薄，内(外)部的接受角度越大。将波矢k展开为θ方向接受角的泰勒级数，则平均转换效率与接受角的对应关系为公式(Ⅳ)：
其中，任意一条入射光线的转换效率为：
η(Δθ)＝-37.2-0.17θ-0.02×(θ-0.74)2+0.11×(θ-0.74)3
其中，Δθmax和分别为入射光束在θ方向和方向最大的发散角(半角)，Δθ和分别为任意一条入射光线在θ方向和方向的发散角，Δθ和的积分区域分别为(-Δθmax，Δθmax)，
通过曲线表示的不同LBO晶体厚度条件下，晶体内部接受角和转换效率的关系如图3所示。设定平行光束入射时的转换效率为1，拼接的和频LBO晶体的厚度为4mm，在θ方向上若要实现80％以上的转换效率，则LBO晶体外部的接受角约为12.8mrad，接受角的计算过程如下：
如图3所示，晶体厚度为4mm，最边缘入射光线的转换效率为49.9％时，经公式(Ⅳ)所述的积分计算可得平均转换效率降低为82.8％，此时的接受半角为4.035mrad，则晶体外部的接受角约为4.0×2×1.6＝12.8mrad；当最边缘光线的转换效率为80.1％时，平均转换效率为90％以上，晶体外部的接受角约为2.34×2×1.6＝7.5mrad。
在θ方向上，相邻两个子晶体之间的切割角度差为公式(Ⅲ)所示：
相邻两个子晶体之间的切割角度差＝会聚光束的发散角/晶体的拼接块数(Ⅲ)。
在θ方向上，从中间的一个子晶体依次往上，切割角θ越来越大，依次往下，切割角θ越来越小；在方向上，所有子晶体的切割角均为90°。
则，在θ方向上需要拼接的子晶体块数为36mrad/12.8mrad≈3块。晶体在方向上的接受角高达100mrad，理论上一块晶体即可，但是考虑到LBO晶体生长尺寸的限制，所以必须要采用3×3的子晶体拼接方案。拼接的子晶体中间一块子晶体的切割角度为20℃条件下的平行光束入射时三倍频切割角θm＝44.7°，
在θ方向上相邻两块子晶体的角度切割差异为36.0mrad/3＝12.0mrad＝0.7°，即B1、B2的切割角度为θm＝44.7°，A1、A2的切割角度为θm＝45.4°，C1、C2的切割角度为44.0°，在方向上，九块晶体的切割角度均为
实施例3：
一种避免透镜紫外激光损伤的方法，其步骤如实施例2所述，所不同的是，步骤(3)中，和频晶体的子晶体之间、子晶体与蓝宝石衬底之间均为光胶连接，以实现多块晶体之间的平整、无缝拼接，减少能量损耗。
在和频晶体厚度一定的情况下，不同的激光三倍频效率(相对于平行光束入射的转换效率而言)对应LBO晶体内部不同的接受角，转换效率越高，晶体的内部允许的接受角越小。考虑到晶体的折射效应，晶体外部的接受角约为内部接受角的1.6倍。LBO晶体在方向的接收角高达100mrad，因此在方向上一块晶体即可满足相位匹配，但考虑到晶体生长尺寸的限制，在大口径激光应用中该方向仍然需要拼接。
上述对实施例的描述是为便于该领域的普通技术人员能理解和应用本发明。晶体的拼接块数不限于九块，各晶体的切割角度需要根据光束的发散角、晶体的拼接块数等工程参数准确计算而得。熟悉本领域的技术人员显然非常容易的将在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种避免透镜紫外激光损伤的装置，其特征在于，包括沿光路设置的倍频晶体、聚焦透镜和和频晶体，和频晶体包括拼接的子晶体，倍频晶体用于对基频光的倍频；聚焦透镜用于聚焦倍频光束和剩余的基频光束；拼接的和频晶体用于基频光和倍频光和频产生紫外激光。
2.根据权利要求1所述的避免透镜紫外激光损伤的装置，其特征在于，所述和频晶体的子晶体一侧设有蓝宝石衬底，蓝宝石衬底用于拼接的子晶体的固定。
3.根据权利要求1所述的避免透镜紫外激光损伤的装置，其特征在于，和频晶体为LBO晶体；
优选的，聚焦透镜的材料为K9玻璃或熔石英，聚焦透镜表面镀有对1053nm和526.5nm激光的增透膜。
4.一种避免透镜紫外激光损伤的方法，其特征在于，包括步骤如下：
(1)沿基频光光路设置倍频晶体、聚焦透镜和和频晶体，和频晶体为拼接在一起的子晶体；
(2)根据会聚光束的发散角和和频晶体在θ方向上的接受角确定和频晶体的子晶体拼接块数；
(3)将和频晶体的子晶体拼接固定于蓝宝石衬底上。
5.根据权利要求4所述的避免透镜紫外激光损伤的方法，其特征在于，步骤(2)中，和频晶体的子晶体拼接块数由公式(Ⅰ)获得：
优选的，步骤(2)中，当公式(Ⅰ)不能整除时，子晶体的拼接块数进行进位取整。
6.根据权利要求5所述的避免透镜紫外激光损伤的方法，其特征在于，步骤(2)中，会聚光束的发散角根据光束口径和聚焦透镜的焦距获得，通过公式(Ⅱ)反正切运算获得：
会聚光束的发散角＝2×arctan(激光光束半径/聚焦透镜焦距) (Ⅱ)。
7.根据权利要求4所述的避免透镜紫外激光损伤的方法，其特征在于，步骤(3)中，和频晶体的子晶体之间、子晶体与蓝宝石衬底之间均为光胶连接。
8.根据权利要求6所述的避免透镜紫外激光损伤的方法，其特征在于，步骤(2)中，拼接的子晶体中间一块子晶体的切割角度为20℃条件下的平行光束入射时三倍频切割角θm＝44.7°，
9.根据权利要求8所述的避免透镜紫外激光损伤的方法，其特征在于，步骤(2)中，在θ方向上，相邻两个子晶体之间的切割角度差为公式(Ⅲ)所示：
相邻两个子晶体之间的切割角度差＝会聚光束的发散角/晶体的拼接块数 (Ⅲ)。
10.根据权利要求9所述的避免透镜紫外激光损伤的方法，其特征在于，步骤(2)中，在θ方向上，从中间的一个子晶体依次往上，切割角θ越来越大，依次往下，切割角θ越来越小；在方向上，所有子晶体的切割角均为90°。
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