CN107765413A - 一种多次反射提高短脉冲激光能量的光学系统 - Google Patents

一种多次反射提高短脉冲激光能量的光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多次反射提高短脉冲激光能量的光学系统，包括有真空室，真空室内部用于产生等离子体，在真空室的上端、下端、前侧分别设有通光口，其中真空室的下端通光口外依次设置有布鲁斯特窗一、带有通孔的凹面镜一、平面反射镜和聚焦透镜，真空室的上端通光口外依次设有布鲁斯特窗二、带有通孔的凹面镜二、高反镜和光学吸收装置，真空室前侧通光口外依次设有信号收集透镜组和光纤束。本发明在不牺牲系统时间分辨率的情况下，显著提高脉冲激光有效能量，扩大了测量范围，改善了诊断系统精度。系统结构精巧，高效稳定，易于维护。

Description

一种多次反射提高短脉冲激光能量的光学系统
技术领域
本发明涉及激光光学系统技术领域，尤其涉及一种多次反射提高短脉冲激光能量的光学系统。
背景技术
激光汤姆逊散射是公认的电子温度和密度同时测量的最精确方法。高分辨率、高精度汤姆逊散射诊断是目前聚变等离子体诊断研究的重要方向。
目前汤姆逊散射诊断被广泛应用于世界各地的磁约束聚变装置上，典型的有欧洲联合环JET、美国GA的DIII-D、日本NIFS的LHD和中国的东方超环EAST托卡马克。国际磁约束核聚变实验堆ITER也把汤姆逊散射作为基本诊断系统设计和建设。
相对于其他诊断系统，汤姆逊散射的最重要特点之一是信号极弱，一般只有数百个光子，使测量起来特别困难。为了提高诊断系统的信噪比和测量精度，目前选用最先进的高能量（~5J）、高频率（~50Hz）激光器作为光源。受制于激光技术的发展，目前只能生产出近百赫兹的高能量脉冲激光器。如果提高脉冲能量、改善系统信噪比，其频率必然降低，牺牲系统的时间分辨率。此外，更大能量的激光脉冲对反射镜也提出了巨大挑战。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种多次反射提高短脉冲激光能量的光学系统。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种多次反射提高短脉冲激光能量的光学系统，包括有真空室，真空室内部用于产生等离子体，在真空室的上端、下端、前侧分别设有通光口，其中真空室的下端通光口外依次设置有布鲁斯特窗一、带有通孔的凹面镜一、平面反射镜和聚焦透镜，真空室的上端通光口外依次设有布鲁斯特窗二、带有通孔的凹面镜二、高反镜和光学吸收装置，真空室前侧通光口外依次设有信号收集透镜组和光纤束；
线偏振的短脉冲激光经过真空室下端通光口外的聚焦透镜聚焦至下端通光口外的平面反射镜，经平面反射镜反射后依次通过下端通光口外的凹面镜一的通孔、下端通光口外的布鲁斯特窗一后入射至真空室内，经过在真空室内等离子体时形成散射区，散射区信号由真空室前侧的信号收集透镜组会聚至光纤束，由光纤束接收散射区的信号；
经过真空室内散射区的短脉冲激光到达真空室上端通光口，并透射过上端通光口外的布鲁斯特窗二后入射至上端通光口外的凹面镜二，经凹面镜二反射后返回真空室内散射区，并穿过散射区后到达真空室下端通光口，再经下端通光口外的凹面镜一再次反射后再次返回至真空室内散射区，并穿过散射区后再次到达真空室上端通光口，再透射过上端通光口外的布鲁斯特窗二后从上端通光口外的凹面镜二的通孔穿过，然后经高反镜反射至光学吸收装置，由光学吸收装置吸收。
在所述的真空室的上端通光口和下端通光口外均安装有消光管，下端的布鲁斯特窗一、带有通孔的凹面镜一、平面反射镜、聚焦透镜设置在下端的消光管管口外，上端的布鲁斯特窗二、带有通孔的凹面镜二、高反镜、光学吸收装置设置在上端的消光管管口外。
所述的凹面镜一和凹面镜二均为高损伤阈值、高反射率镀膜镜片，凹面镜一和凹面镜二的焦距保证光束的束腰经多次反射后始终位于散射区，凹面镜一和凹面镜二上均开有一个圆形通孔，圆形通孔尺寸略大于光束直径，使光束可以经过通孔进出。
所述的两布鲁斯特窗一和布鲁斯特窗二均和线偏振的短脉冲激光成布鲁斯特角，保证线偏振的短脉冲激光可以全部通过，减少反射和脉冲能量的损失。
所述的光束经平面反射镜和凹面镜一反射后，保证光束始终处在同一平面，与光纤束和信号收集透镜组中心线所在的平面重合。
本发明的优点是：本发明利用两个特制凹面镜，并辅以两个布鲁斯特窗和baffer消光管，使脉冲激光会聚后三次经过测量区。在其垂直视角，散射信号经过大口径收集透镜，汇聚到信号收集光纤端面。本发明在不牺牲系统时间分辨率的情况下，显著提高脉冲激光有效能量，改善系统信噪比，方案合理可靠，稳定性高。综上所述，为了提高汤姆逊散射诊断系统的信噪比和测量精度，本发明方法切实可行，并已经得到实验验证。
本发明系统针对汤姆逊散射诊断等弱信号、短脉冲测量，可显著提高系统的散射信号强度和测量精度，更准确的获取磁约束聚变等离子体的参数分布数据。本发明系统结构精巧，便于调试；多次反射过程中同时进行光束聚焦，激光脉冲能量几乎没有衰减，效率高；在不牺牲系统时间分辨率的情况下，显著提高了激光脉冲有效能量和测量精度；加工制造成本低，易于维护。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2多次反射叠加后的散射信号示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种多次反射提高短脉冲激光能量的光学系统，包括有真空室6，真空室6内部用于产生等离子体，在真空室的上端、下端、前侧分别设有通光口，其中真空室的下端通光口外依次设置有布鲁斯特窗一11、带有通孔的凹面镜一12、平面反射镜14和聚焦透镜15，真空室6的上端通光口外依次设有布鲁斯特窗二4、带有通孔的凹面镜二3、高反镜1和光学吸收装置2，真空室前侧通光口外依次设有信号收集透镜组8和光纤束9；
线偏振的短脉冲激光13经过真空室下端通光口外的聚焦透镜15聚焦至下端通光口外的平面反射镜14，经平面反射镜14反射后依次通过下端通光口外的凹面镜一12的通孔、下端通光口外的布鲁斯特窗一11后入射至真空室6内，经过在真空室6内等离子体时形成散射区7，散射区7信号由真空室6前侧的信号收集透镜组8会聚至光纤束9，由光纤束9接收散射区的信号；
经过真空室内散射区7的短脉冲激光到达真空室6上端通光口，并透射过上端通光口外的布鲁斯特窗二4后入射至上端通光口外的凹面镜二3，经凹面镜二3反射后返回真空室内散射区7，并穿过散射区7后到达真空室6下端通光口，再经下端通光口外的凹面镜一12再次反射后再次返回至真空室内散射区7，并穿过散射区7后再次到达真空室上端通光口，再透射过上端通光口外的布鲁斯特窗二4后从上端通光口外的凹面镜二3的通孔穿过，然后经高反镜1反射至光学吸收装置2，由光学吸收装置2吸收。
在所述的真空室6的上端通光口和下端通光口外均安装有消光管5，下端的布鲁斯特窗一11、带有通孔的凹面镜一12、平面反射镜14、聚焦透镜15设置在下端的消光管管口外，上端的布鲁斯特窗二4、带有通孔的凹面镜二3、高反镜1、光学吸收装置2设置在上端的消光管5管口外。
所述的凹面镜一12和凹面镜二3均为高损伤阈值、高反射率镀膜镜片，凹面镜一12和凹面镜二3的焦距保证光束的束腰经多次反射后始终位于散射区7，凹面镜一12和凹面镜二3上均开有一个圆形通孔，圆形通孔尺寸略大于光束直径，使光束可以经过通孔进出。
所述的两布鲁斯特窗一11和布鲁斯特窗二4均和线偏振的短脉冲激光成布鲁斯特角，保证线偏振的短脉冲激光可以全部通过，减少反射和脉冲能量的损失。
所述的光束经平面反射镜14和凹面镜一12反射后，保证光束始终处在同一平面，与光纤束和信号收集透镜组中心线所在的平面重合。
本发明包括聚焦透镜15，线偏振的短脉冲激光13透过聚焦透镜15的中心，经平面反射镜14反射后，竖直向上汇聚于等离子体散射区7。散射区7位与真空室6的内部，散射区是光纤束9经信号收集透镜组8成像所对应的区域。激光束经平面反射镜14向上传输过程中，依次通过凹面镜12的圆孔、布鲁斯特窗11和下消光管10。光束13和布鲁斯特窗11的夹角近似为布鲁斯特角，保证线偏振的短脉冲激光13全部透过布鲁斯特窗11进入真空室6。为了防止杂散光的进入真空室，降低本底噪音，线偏振的短脉冲激光13在进入真空室前后，分别通过下消光管和上消光管，然后经过上端的布鲁斯特窗4从真空室出射，到达上方的凹面镜3后，经再次聚焦反射回真空室6散射区7。到达下方凹面镜12后经再次反射聚焦于散射区7，然后通过消音管5、布鲁斯特窗4和凹面镜3的开孔，到达最上方的高反镜1，经反射后，进入光学吸收装置2被吸收。
聚焦透镜15的焦距设计参数要保证入射激光束经其会聚后，光束束腰位于散射区7（根据高斯光束经薄透镜的变换公式确定）。上方凹面镜的焦距要保证光束经其反射进入真空室后，束腰仍然处于散射区7。下方的凹面镜焦距参数同理确定，保证光束的束腰处于散射区7。
此外，光束经平面反射镜14、凹面镜3和12三次反射后，要保证光束始终处在同一平面，与光纤和透镜中心组成的重合，散射信号可以被光纤束9完全接收。
脉冲激光经多次反射和聚焦后，其作为有效光源产生的汤姆逊散射信号显著增强。根据激光脉宽和装置系统参数（真空室大小、上下消光管的长度等）的不同，分为图2中左右两种情形。当激光的脉宽较宽或装置尺寸较小时，结果如左图所示，叠加后的散射信号还是近高斯分布。当激光脉宽相对较窄或装置尺寸较大时，结果如图2中右图所示，叠加后的散射信号出现三个尖峰，散射信号强度仍然增加。

Claims (5)

1.一种多次反射提高短脉冲激光能量的光学系统，其特征在于：包括有真空室，真空室内部用于产生等离子体，在真空室的上端、下端、前侧分别设有通光口，其中真空室的下端通光口外依次设置有布鲁斯特窗一、带有通孔的凹面镜一、平面反射镜和聚焦透镜，真空室的上端通光口外依次设有布鲁斯特窗二、带有通孔的凹面镜二、高反镜和光学吸收装置，真空室前侧通光口外依次设有信号收集透镜组和光纤束；
线偏振的短脉冲激光经过真空室下端通光口外的聚焦透镜聚焦至下端通光口外的平面反射镜，经平面反射镜反射后依次通过下端通光口外的凹面镜一的通孔、下端通光口外的布鲁斯特窗一后入射至真空室内，经过在真空室内等离子体时形成散射区，散射区信号由真空室前侧的信号收集透镜组会聚至光纤束，由光纤束接收散射区的信号；
经过真空室内散射区的短脉冲激光到达真空室上端通光口，并透射过上端通光口外的布鲁斯特窗二后入射至上端通光口外的凹面镜二，经凹面镜二反射后返回真空室内散射区，并穿过散射区后到达真空室下端通光口，再经下端通光口外的凹面镜一再次反射后再次返回至真空室内散射区，并穿过散射区后再次到达真空室上端通光口，再透射过上端通光口外的布鲁斯特窗二后从上端通光口外的凹面镜二的通孔穿过，然后经高反镜反射至光学吸收装置，由光学吸收装置吸收。
2.根据权利要求1所述的一种多次反射提高短脉冲激光能量的光学系统，其特征在于：在所述的真空室的上端通光口和下端通光口外均安装有消光管，下端的布鲁斯特窗一、带有通孔的凹面镜一、平面反射镜、聚焦透镜设置在下端的消光管管口外，上端的布鲁斯特窗二、带有通孔的凹面镜二、高反镜、光学吸收装置设置在上端的消光管管口外。
3.根据权利要求2所述的一种多次反射提高短脉冲激光能量的光学系统，其特征在于：所述的凹面镜一和凹面镜二均为高损伤阈值、高反射率镀膜镜片，凹面镜一和凹面镜二的焦距保证光束的束腰经多次反射后始终位于散射区，凹面镜一和凹面镜二上均开有一个圆形通孔，圆形通孔尺寸略大于光束直径，使光束可以经过通孔进出。
4.根据权利要求1所述的一种多次反射提高短脉冲激光能量的光学系统，其特征在于：所述的两布鲁斯特窗一和布鲁斯特窗二均和线偏振的短脉冲激光成布鲁斯特角，保证线偏振的短脉冲激光可以全部通过。
5.根据权利要求1所述的多次反射提高短脉冲激光能量的光学系统，其特征在于：所述的光束经平面反射镜和凹面镜一反射后，保证光束始终处在同一平面，与光纤束和信号收集透镜组中心线所在的平面重合。
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