CN106908956A - 对靶面光强分布进行匀滑的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对靶面光强分布进行匀滑的方法，包括：通过光强调制器及连续相位板对经透镜出射在靶面上的激光束，进行光强分布匀滑调整，以在靶面上构成整块的匀滑焦斑分布。本发明提供一种束匀滑方法，通过调制主激光的光强分布和位相分布，在靶面上获得一个均匀的焦斑靶面光强分布，以满足实际的需要，具有更好的适应性和稳定性。本发明还提供一种对靶面光强分布进行匀滑的装置，其与现有技术相比，大幅降低了靶面光场分布的对比度与不均匀度，并且不依赖于时域匀滑技术，可获得具有不同几何轮廓的靶面均匀光场。

Description

对靶面光强分布进行匀滑的方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种在激光束进行匀滑的方法。更具体地说，本发明涉及一种用在激光束匀滑情况下，通过构建光强与位相分布对靶面光强分布进行匀滑的方法及其装置。

背景技术

在激光惯性约束聚变(ICF)实验中，直接驱动为了有效抑制高温等离子体的瑞利-泰勒不稳定性，间接驱动为了降低激光与等离子体相互作用(LPI)过程中的受激布里渊散射(SBS)和受激拉曼散射(SRS)，各种激光靶面光强整形和束匀滑技术应运而生。近年来的主流技术为连续相位板(CPP)技术和光谱色散匀滑(SSD)技术。

CPP的主要功能是针对物理实验的需求，改变靶面光强分布的轮廓，但CPP使靶面轮廓内部出现了大量的高频调制，即散斑。例如专利名称为一种用于靶点焦斑整形和光束匀滑的激光光路，其通过相位板和透镜的运用，使得聚焦在靶面上的焦斑轮廓能得到整形和匀滑，但其缺点在于，其聚集后的焦班为多个，形成前面所述的散斑。

SSD技术是使散斑在靶面上随时间快速移动，使得靶面光强经过一定时间积分后是匀滑的。由于SSD匀滑需要一定积分时间，当散斑的移动速度小于激光等离子体相互作用的特征速度时，就无法的抑制激光与等离子体作用过程中的不稳定性，因此需要寻求瞬时的靶面光强匀滑方法。

故如若需要在靶面的预定轮廓分布之内形成一个匀滑的焦斑，目前的技术均无法达到要求。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种束匀滑方法，通过调制主激光的光强分布和位相分布，在靶面上获得一个均匀的焦斑靶面光强分布，以满足实际的需要，具有更好的适应性和稳定性。

本发明还有一个目的在于提供一种对靶面光强分布进行匀滑的装置，其与现有技术相比，大幅降低了靶面光场分布的对比度与不均匀度，并且不依赖于时域匀滑技术，可获得具有不同几何轮廓的靶面均匀光场。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种对靶面光强分布进行匀滑的方法，包括：

通过光强调制器及连续相位板对经透镜出射在靶面上的激光束，进行光强分布匀滑调整，以在靶面上构成整块的匀滑焦斑分布。

优选的是，其中，所述光强调制器的调制参数获取包括以下步骤:

预设靶面上匀滑调整后的光强分布I_{t arg et}(x_f,y_f)，其中x_f、y_f分别为靶面的横、纵坐标；

经激光器发射的激光束的光强分布为I₀(x,y)，其中x、y分别为激光束截面的横、纵坐标；

对靶面的位相分布进行设计，以使得经透镜聚焦后的靶面光强分布轮廓等于激光束的轮廓，可得到靶面电场以及经过聚焦透镜后的电场E_obj(x,y)＝F[E_{t arg et}(x_f,y_f)]，其中F为傅里叶变换；

通过公式计算电场E_obj(x,y)中的光强分布，其中*表示共轭；

设置激光束到靶面构成的光路中光强调制器的调制参数为I_obj(x,y)，进而使激光束的光强分布等于I_obj(x,y)。

优选的是，其中，所述相位板的面形获得包括：

通过公式计算电场E_obj(x,y)中的位相分布，并基于计算结果制作对应面形的连续相位板；

将所述连续相位板插入到光路中靠近光强调制器的一侧，使激光束的位相分布等于此时激光束经聚焦透镜聚焦后在靶面光场分布恰好等于I_{t arg et}(x_f,y_f)。

本发明的目的还可以通过一种对靶面光强分布进行匀滑的装置以得到，包括：

靶面；

用于产生出射至靶面激光束光路的激光器；

用于调整激光束出射后的光强分布的光强调制器；

对光强分布调整后的激光束进行位相分布调整的连续相位板；

对位相分布调整后的激光束聚焦至靶面的透镜。

本发明至少包括以下有益效果：本发明通过提供一种束匀滑方法，通过调制主激光的光强分布和位相分布，在靶面上获得一个均匀的焦斑靶面光强分布，以满足实际的需要，具有更好的适应性和稳定性。

本发明通过提供一种对靶面光强分布进行匀滑的装置，其与现有技术相比，大幅降低了靶面光场分布的对比度与不均匀度，并且不依赖于时域匀滑技术，可获得具有不同几何轮廓的靶面均匀光场。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明一种束匀滑方法的光路结构示意图，其中1为主激光；2为光强调制器；3为位相板；4为聚焦透镜；5为靶面；

图2为未经调制的主激光的光强分布；

图3为设计得到的靶面位相分布，单位为激光波长的倍数；

图4为经强度调制后的主激光的光强分布；

图5为经位相调制后的主激光位相分布，单位为激光波长的倍数；

图6为本发明得到的匀滑后的靶面光强分布。

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。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

根据本发明的一种对靶面光强分布进行匀滑的方法的实现形式，其中包括：

通过光强调制器及连续相位板对经透镜出射在靶面上的激光束，进行光强分布匀滑调整，以在靶面上构成整块的匀滑焦斑分布。采用这种方案通过采用强度调制器和位相调制器调制主激光的光强和位相，从而获得光滑的靶面光强分布，具有可实施效果好，稳定性好，可操作性强，适应性好的有利之处。故本发明提供一种束匀滑方法，能够有效解决CPP技术引入的靶面光强调制，获得瞬时光滑的靶面，为高功率激光装置靶面光强匀滑提供了新思路，并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

在另一种实例中，所述光强调制器的调制参数获取包括以下步骤:

预设靶面上匀滑调整后的光强分布I_{t arg et}(x_f,y_f)，其中x_f、y_f分别为靶面的横、纵坐标；

经激光器发射的激光束的光强分布为I₀(x,y)，其中x、y分别为激光束截面的横、纵坐标；

对靶面的位相分布进行设计，以使得经透镜聚焦后的靶面光强分布轮廓等于激光束的轮廓，可得到靶面电场以及经过聚焦透镜后的电场E_obj(x,y)＝F[E_{t arg et}(x_f,y_f)]，其中F为傅里叶变换，其中，所述的设计靶面的位相分布的方法为现有技术，其基本原理是位相恢复原理，其基本方法为G-S算法，G-S算法原理如下：

已知靶面光强分布为I_{t arg et}(x_f,y_f)，主激光强度分布为I₀(x,y)，选取一初始靶面位相分布构造靶面电场分布以此电场分布作为输入，经过傅里叶变换可得到光强分布I₀'(x,y)与位相分布将此时的光强分布I₀'(x,y)与主激光强度分布I₀(x,y)进行对比，若此光强分布与主激光强度分布轮廓一致，则此时的位相分布即为设计所需的位相分布，若不能满足要求，则以主激光强度分布I₀(x,y)与获得的位相分布构造电场分布作傅里叶逆变换得到新的靶面位相分布将初始位相分布更换为即令重复上述过程，直至得到满意的结果。

初始靶面位相分布的选取、光强分布I₀'(x,y)与主激光强度分布I₀(x,y)是否一致的判定条件以及其他限制条件和算法的改进，根据实际情况有所不同，具体的设计方法可由下述文献[1～6]以得到：

[1]Neauport J,Ribeyre X,Daurios J,et al.Design and opticalcharacterization of a large continuous phase plate for Laser Integration Lineand laser Megajoule facilities[J].Applied optics,2003,42(13):2377-2382.

[2]Marozas J A.Fourier transform-based continuous phase-plate designtechnique:a high-pass phase-plate design as an application for OMEGA and theNational Ignition Facility[J].JOSA A,2007,24(1):74-83.

[3]陈波,王菡子,韦辉,等.用于惯性约束聚变束匀滑的完全连续相位板设计方法[J].光学学报,2001,21(4):480-484.

[4]李平,马驰,粟敬钦,等.基于焦斑空间频谱控制的连续相位板设计[J].强激光与粒子束,2008,20(7):1114-1118.

[5]温圣林,许乔,马平,等.基于工艺的连续相位板设计[J].光学学报,2009(11):3179-3182.

[6]温圣林,侯晶,杨春林,等.用于背光照明的大口径连续相位板设计和制作[J].激光与光电子学进展,2011,48(5):109-113；

通过公式计算电场E_obj(x,y)中的光强分布，其中*表示共轭；

设置激光束到靶面构成的光路中光强调制器的调制参数为I_obj(x,y)，进而使激光束的光强分布等于I_obj(x,y)。采用这种方案通过反相推导的理论，根据主激光光强的轮廓和目标靶面分布特性设计靶面CPP，使得靶面光强分布和CPP的位相分布形成的靶面电场经透镜聚焦后能够得到主激光的光强轮廓分布，同时获得主激光的强度分布函数，以得到后期实际运用过程中光强调制器的调制函数参数，在主激光光路中插入光强调制器，使主激光的光强分布等于I_obj(x,y)，以对投射到靶面上的激光束进行光强分布的匀滑处理，具有可实施效果好，可操作性强的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

在另一种实例中，所述相位板的面形获得包括：

通过公式计算电场E_obj(x,y)中的位相分布，并基于计算结果制作对应面形的连续相位板；

将所述连续相位板插入到光路中靠近光强调制器的一侧，使激光束的位相分布等于此时激光束经聚焦透镜聚焦后在靶面光场分布恰好等于I_{t arg et}(x_f,y_f)。采用这种方案通过公式得到靶面电场的位相分布，并基于位相分布制作与其相配合的连续相位板面形，以在实际运用中在主激光光路中插入相位板，使主激光的位相分布等于此时主激光经聚焦透镜聚焦后的靶面光场分布恰好等于I_{t arg et}(x_f,y_f)，以对投射到靶面上的激光束进行位相分布的匀滑处理，具有可实施效果好，可操作性强，适应性好，稳定性强的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

图1示出了本发明通过一种对靶面光强分布进行匀滑的装置以实现发明明目的光路结构，包括：

靶面5；

用于产生出射至靶面激光束1光路的激光器；

用于调整激光束出射后的光强分布的光强调制器2，其通过对光强调制器中光强分布参数的调制，以对投射到靶面上的激光束进行光强分布的匀滑处理；

对光强分布调整后的激光束进行位相分布调整的连续相位板3，其通过连续相位板上的相位面形，对投射到靶面上的激光束进行位相分布的匀滑处理；

对位相分布调整后的激光束聚焦至靶面的透镜4，其用于将位相分布及光光强分布处理后的激光束聚焦至靶面上，进而在靶面上得到整块的均匀光场。采用这种方案与现有技术相比，大幅降低了靶面光场分布的对比度与不均匀度，并且不依赖于时域匀滑技术，可获得具有不同几何轮廓的靶面均匀光场，具有可实施效果好，可操作性强，适应性好，稳定性强的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

实施例：

本实施例中主激光的中心波长为351nm，聚焦透镜的焦距为8m。

本发明实例的束匀滑方法的光路结构示意图见图1，主激光1相继通过强度调制器2和位相调制器3，再经过聚焦透镜4聚焦到靶面5。

未经调制的主激光分布为36cm*36cm的矩形，见图2。所需的靶面光强分布为长轴1000μm、短轴750μm的椭圆。设计得到靶面的位相分布见图3，反推得到主激光的强度分布和相位分布。主激光通过强度调制器后的强度分布见图4，再经过位相调制器后的位相分布见图5。经聚焦透镜聚焦后靶面光强分布见图6，它正好是长轴1000μm、短轴750μm的椭圆平顶分布。

本发明所述的靶面光强轮廓不局限于实施例中的椭圆形一种，也可以是圆形、正方形、矩形等。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的对靶面光强分布进行匀滑的方法及其装置的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

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 (4)

1.一种对靶面光强分布进行匀滑的方法，其特征在于，包括：

通过光强调制器及连续相位板对经透镜出射在靶面上的激光束，进行光强分布匀滑调整，以在靶面上构成整块的匀滑焦斑分布。

2.如权利要求1所述的对靶面光强分布进行匀滑的方法，其特征在于，所述光强调制器的调制参数获取包括以下步骤:

预设靶面上匀滑调整后的光强分布I_target(x_f,y_f)，其中x_f、y_f分别为靶面的横、纵坐标；

经激光器发射的激光束的光强分布为I₀(x,y)，其中x、y分别为激光束截面的横、纵坐标；

对靶面的位相分布进行设计，以使得经透镜聚焦后的靶面光强分布轮廓等于激光束的轮廓，可得到靶面电场以及经过聚焦透镜后的电场E_obj(x,y)＝F[E_target(x_f,y_f)]，其中F为傅里叶变换；

通过公式计算电场E_obj(x,y)中的光强分布，其中*表示共轭；

设置激光束到靶面构成的光路中光强调制器的调制参数为I_obj(x,y)，进而使激光束的光强分布等于I_obj(x,y)。

3.如权利要求2所述的对靶面光强分布进行匀滑的方法，其特征在于，所述相位板的面形获得包括：

通过公式计算电场E_obj(x,y)中的位相分布，并基于计算结果制作对应面形的连续相位板；

将所述连续相位板插入到光路中靠近光强调制器的一侧，使激光束的位相分布等于此时激光束经聚焦透镜聚焦后在靶面光场分布恰好等于I_target(x_f,y_f)。

4.一种应用如权利要求1所述方法的装置，其特征在于，包括：

靶面；

用于产生出射至靶面激光束光路的激光器；

用于调整激光束出射后的光强分布的光强调制器；

对光强分布调整后的激光束进行位相分布调整的连续相位板；

对位相分布调整后的激光束聚焦至靶面的透镜。