CN108363217A - 利用自动安平激光标线仪调节及监测光栅对平行的方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用自动安平激光标线仪调节及监测光栅对平行的方法及应用。该方法包括以下步骤：(1)调整两块光栅单独的姿态；(2)将自动安平激光标线仪固定在合适的位置；(3)在光路中放置一张白纸进行观察；(4)调整光栅的角度，观察白纸上各条光线的位置，调节光栅对平行。本发明方法无需激光器提供光源；全新的原理，操作简单，精度非常高；不但可以作为光栅对平行的方法，也可用于日常光栅对姿态的监测。

Description

利用自动安平激光标线仪调节及监测光栅对平行的方法及 应用

技术领域

本发明属于超短超强激光技术领域，具体涉及一种利用自动安平激光标线仪调节及监测光栅对平行的方法及应用。

背景技术

超短超强激光系统能够产生脉宽为飞秒量级，瞬时功率达拍瓦量级的激光脉冲，聚焦后的峰值强度可达10²²W/cm²，是超快科学和强场物理研究的基本设备。目前的超短超强激光器主要是基于啁啾脉冲放大技术，其基本原理是为了避免激光脉冲在放大过程中强度过大，而造成光学元件的损伤以及非线性效应导致的光束时间和空间畸变，首先将振荡器提供的待放大的种子脉冲通过展宽器引入正啁啾，将脉冲在时域上展宽至数百皮秒甚至纳秒以降低激光强度，经逐级放大后再利用能够提供负啁啾的压缩器补偿展宽和放大过程中的正色散，使脉冲被压缩回原始的脉冲宽度而获得超短的高功率激光脉冲。

压缩器是利用相反色散元件将展宽器以及其它光学元件产生的色散进行抵消，从而使脉冲宽度变窄。平行光栅对是目前使用最广泛的压缩器，其结构如图1所示，脉冲经过光栅1，由于光栅衍射，不同的光谱成分在空间上被展开，光栅2与光栅1平行，不同光谱成分经过光栅2后相互平行传播，反射镜3又可以使脉冲按原路返回，由于不同的光谱成分经历的路径不同可以使被展宽了的脉冲再被压缩。然而压缩器中光栅对的微小失调会使输出的激光脉冲存在角啁啾，而导致光束聚焦后焦平面上脉冲宽度和焦斑尺寸变大，造成聚焦光强的极大降低。为了减小压缩后激光脉冲的空间及时间畸变，需要精确调节压缩光栅对，确保其平行。

目前现有技术中，人们采用的比较简单实用的调节光栅对平行的方法如图7所示，(1)将激光器前端产生的小能量脉冲经反射镜M_i注入压缩器中，在A的位置放置一个光阑，光阑距M₁不小于一米，光阑开孔与激光光斑大小一致，不要使穿过的激光产生衍射环。(2)调整反射镜M₁的角度，使激光入射在光栅G₁的中心，调整光栅G₁的角度，使衍射光束在光栅G₂的中心。(3)移动反射镜M₂到B点，调整反射镜M₂的姿态，使反射光穿过光阑A的中心。(4)平移反射镜M₂到C点，调节G₂角度使反射光再次穿过光阑A的中心，此时两光栅平行。

现有技术的缺点是：(1)需要激光前端提供光源，对于低重复频率的激光调节耗时较长，比较麻烦。(2)虽然方法简单易行，但调节精度不易保证。

发明内容

因此，本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种利用自动安平激光标线仪调节及监测光栅对平行的方法及应用。主要适用于调节和监测激光脉冲压缩器中光栅对的平行。本发明利用自动安平激光标线仪调节和监控光栅对的平行，具有成本低，操作简单，精度高，无需激光光源等优点。

为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种利用自动安平激光标线仪调节光栅对平行的方法，该方法包括以下步骤：

(1)调整两块光栅单独的姿态；

(2)将自动安平激光标线仪放在合适的位置；

(3)在光路中放置一张白纸进行观察；

(4)调整光栅的角度，观察白纸上各条光线的位置，调节光栅对平行。

根据本发明第一方面的方法，其中，所述步骤(1)中，调整所述光栅的俯仰使入射光线和反射光线重合。

根据本发明第一方面的方法，其中，所述步骤(1)中，调整所述光栅的刻线竖直使入射光线和衍射光线重合。

根据本发明第一方面的方法，其中，所述步骤(2)中，以所述自动安平激光标线仪的竖直光线为入射光，以光栅的利特罗角入射到光栅上。

根据本发明第一方面的方法，其中，所述步骤(3)中，所述白纸固定于两块光栅之间中间位置，白纸下边缘略低于光栅上沿，以压缩器工作时白纸不挡激光为准。

根据本发明第一方面的方法，其中，所述步骤(4)中，当所述白纸上所有的光线重合时，调节结束。

本发明的第二方面提供了一种利用自动安平激光标线仪监测光栅对平行的方法，该方法包括以下步骤：

(a)将白纸固定于两光栅之间位置，白纸下边缘略低于光栅上沿，以压缩器工作时白纸不挡激光为准，由于压缩器工作时处于真空状态，可以通过压缩室真空腔上的窗口观察白纸；

(b)白纸上所有的光线始终重合，表明光栅对的状态是平行未变的。

本发明的第三方面提供了第一方面所述的方法在激光技术中的应用；优选地，所述激光技术为超短超强激光技术。

本发明的第四方面提供了一种利用自动安平激光标线仪调节光栅对平行的仪器，该仪器包括以下机构设置：

(I)用于调整两块光栅单独姿态的部件；

(II)用于将自动安平激光标线仪放在合适位置的部件；

(III)用于在光路中放置白纸进行观察的部件；

(IV)用于调整光栅的角度、观察白纸上各条光线的位置、调节光栅对平行的部件；

优选地，所述仪器采用第一方面所述的方法调节光栅对平行。

本发明的第五方面提供了一种检测光栅对平行的仪器，其特征在于，所述仪器采用第二方面所述的方法监测光栅对平行。

本发明的目的在于克服现有技术的局限和不足，提供一种平行光栅对压缩器的直接调节方法。该方法无需激光光源，操作简单，精度高，也可用作压缩室光栅对姿态的日常监控。

本发明的技术解决方案如下：

一种平行光栅对的调节方法，该方法需要使用的器件：一台自动安平激光标线仪(自动安平激光标线仪是将半导体激光器光斑准直以后通过柱面镜将点光源展开，再通过重力来实现自动安平，可以发出一条水平发散的直线和竖直发散的直线)，白纸一张。

该方法步骤如下：

(1)分别调整两块光栅单独的姿态，主要包括两个方面：一是光栅的俯仰，二是光栅刻线的竖直。将自动安平激光标线仪放置在光栅1前，调整标线仪的位置，由于光栅的衍射和反射一共可以找到三条水平线：光栅的反射线、光栅的衍射线和发散的入射光线。首先调整光栅的俯仰使入射光线和反射光线重合，然后调整光栅刻线方向使衍射光线和入射光线重合，到此光栅1的姿态调整完毕。同理调整光栅2的姿态

(2)将自动安平标线仪放在合适的位置，使其竖直光线以光栅1的利特罗Littrow角(由光栅方程：可知存在一个角度使入射角和衍射角相等，称其为利特罗Littrow角)入射到光栅1上同时确保光栅1的反射光在光栅2上，以光栅1的衍射光是否会按照入射光的路径返回来判断是不是利特罗Littrow角入射，而此时光栅1上的反射光的反射角也等于利特罗Littrow角。

(3)如果光栅2与光栅1平行，反射光线会以Littrow角入射到光栅2上，在光栅2上同样衍射光线会按入射光的路径返回光栅1，然后在两光栅间来回衍射。如果光栅对之间有一个微小的失调，那么光栅1的反射光在光栅2上的入射角是(θ+Δ)，光栅2的衍射光就不能按照入射光的路径返回，此衍射光会在光栅1和光栅2之间以稍微偏移于Littrow角的角度来回衍射。当在两光栅之间放一张纸会看到如图所示的光线，其中最亮的是反射光线，其余是来回的衍射光线。由于标线仪的光线是发散的，当使用白纸遮住前级光线时依然可以看到下一级衍射光线。通过调节光栅2的角度，屏上的竖线会向最亮的反射线汇聚，当所有的衍射线都收敛到反射线内时两光栅平行。当来回调节光栅2，各衍射光线无法同时收敛于反射线上时说明标线仪发出的光线没有以Littrow角入射到光栅1上，细微调整标线仪的位置后继续调节光栅2角度观察各衍射线收敛情况，直到都能收敛于反射线上，此时两光栅平行。

与现有技术相比，本发明的利用自动安平激光标线仪调节及监测光栅对平行的方法可以具有但不限于以下有益效果：

1、无需激光器提供光源；

2、全新的原理，操作简单，精度非常高；

3、不但可以作为光栅对平行的方法，也可用于日常光栅对姿态的监测。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：

图1示出了光栅对压缩器结构简图。

图2-7本发明调节光栅对平行方法的示意图。

图8示出了现有的光栅对平行调节方法示意图。

附图标记说明：

1、光栅1；2、光栅2；3、反射镜；4、自动安平激光标线仪；5、白纸；6、透镜；7、反射镜M₀；8、反射镜M_i；9、入射脉冲；10、光阑A；11、D点；12、反射镜M₁；13、光栅G₂；14、C点；15、B点；16、反射镜M₂；17、光栅G₁。

具体实施方式

下面通过具体的实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。

本部分对本发明试验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本发明目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本发明仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本发明所用材料和操作方法是本领域公知的。

以下实施例中使用的材料和仪器如下：

仪器：

自动安平激光标线仪，品牌博世(BOSCH)型号GLL3-15。

实施例1

本实施例用于本发明利用自动安平激光标线仪调节光栅对平行的方法。

如图2-6所示，图2-6是本发明调节光栅对平行的方法的示意图。由图可见，该方法需要使用的器件：一台自动安平激光标线仪4，一张白纸5。

该方法步骤如下：

(1)分别调整两块光栅单独的姿态，主要包括两个方面：一是光栅的俯仰，二是光栅刻线的竖直。将自动安平激光标线仪放置在光栅1前，调整标线仪的位置，由于光栅的衍射和反射一共可以找到三条水平线：光栅的反射线、光栅的衍射线和发散的入射光线。首先调整光栅的俯仰使入射光线和反射光线重合，然后调整光栅刻线方向使衍射光线和入射光线重合，到此光栅1的姿态调整完毕。同理调整光栅2的姿态。

(2)如图2所示，将自动安平激光标线仪4放在合适的位置，以其竖直光线为入射光①，以光栅1的利特罗Littrow角入射到光栅1上，这时光栅1的衍射光②会与入射光①重合。

(3)如图3所示，光栅1的反射光③入射到光栅2上，如果光栅对之间有一个微小的失调，那么光栅1的反射光在光栅2上的入射角是(θ+Δ)，光栅2的衍射光④就不能按照入射光③的路径返回。此时将白纸固定于5的位置即两块光栅之间位置，白纸下边缘略低于光栅上沿，以压缩器工作时白纸不挡激光为准。，会出现如图4所示，入射光③衍射光④以及其余的第二、三四衍射光⑤⑥⑦分离的出现在纸上。

(4)调整光栅2的角度，观察白纸上③④和其余的衍射线⑤⑥⑦，当光栅2向两光栅互相平行的方向调整时，④和各其余的衍射线⑤⑥⑦会向③靠拢，当所有的光线重合时，如图6所示，两光栅平行。图5为当两光栅平行时，入射光③与衍射光④⑤⑥⑦重合，此时调节结束。

实施例2

本实施例用于本发明利用自动安平激光标线仪监测光栅对平行的方法。

将白纸固定于两光栅之间位置，白纸下边缘略低于光栅上沿，以压缩器工作时白纸不挡激光为准，压缩器工作时是处于真空状态的，可以通过压缩室真空腔顶部的窗口观察白纸，当白纸上入射光③与衍射光④⑤⑥⑦始终重合，表明光栅对的状态是平行未变的。

试验例1

如图7所示，假如两光栅对之间的斜距L＝50cm，白纸放在两光栅中间，距两光栅各25cm，光栅2相对于平行位置有一个小角度偏移Δ,那么光栅2的入射光③与光栅2的第一次衍射光④之间的夹角为2Δ，光栅2的第一次衍射光④与光栅1的第二次衍射光的夹角为4Δ，光栅1的第二次衍射光与光栅2的第二次衍射光⑤之间的夹角6Δ，光栅2的第二次衍射光⑤与光栅1的第三次衍射光之间的夹角为8Δ，依此类推，光栅1的第n次衍射光与光栅2的第n次衍射光n+3之间的夹角2(2n-1)Δ(仅当在Littrow角附近，且Δ是小量(即sinΔ≈Δ,tanΔ≈Δ)的情况下成立)，那么光线n+3在白纸上偏离光线③的位置为n(2n-1)Δ·L。考虑到标线仪本身线宽和人眼识别精度，两条线重合时的判断误差为10”，明视距离为25cm即(10”＝4.8×10⁵rad)×25cm＝0.012cm，假设能看到第4条衍射线⑦，L的距离为50cm，此方法的分辨率可达到

尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。

Claims (10)

1.一种利用自动安平激光标线仪调节光栅对平行的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)调整两块光栅单独的姿态；

(2)将自动安平激光标线仪放在合适的位置；

(3)在光路中放置一张白纸进行观察；

(4)调整光栅的角度，观察白纸上各条光线的位置，调节光栅对平行。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，调整所述光栅的俯仰使入射光线和反射光线重合。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，调整所述光栅刻线方向使衍射光线和入射光线重合。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，以所述自动安平激光标线仪的竖直光线为入射光，以光栅的利特罗角入射到光栅上。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述白纸固定于两光栅之间位置，白纸下边缘略低于光栅上沿，以压缩器工作时白纸不挡激光为准。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，当所述白纸上所有的光线重合时，调节结束。

7.一种利用自动安平激光标线仪监测光栅对平行的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(a)将白纸固定于两光栅之间位置，白纸下边缘略低于光栅上沿，以压缩器工作时白纸不挡激光为准，由于压缩器工作时处于真空状态，通过压缩室真空腔上的窗口观察白纸；

(b)白纸上所有的光线始终重合，表明光栅对的状态是平行未变的。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法在激光技术中的应用；优选地，所述激光技术为超短超强激光技术。

9.一种利用自动安平激光标线仪调节光栅对平行的仪器，其特征在于，该仪器包括以下机构设置：

(I)用于调整两块光栅单独姿态的部件；

(II)用于将自动安平激光标线仪放在合适位置的部件；

(III)用于在光路中放置白纸进行观察的部件；

(IV)用于调整光栅的角度、观察白纸上各条光线的位置、调节光栅对平行的部件；

优选地，所述仪器采用权利要求1至6中任一项所述的方法调节光栅对平行。

10.一种检测光栅对平行的仪器，其特征在于，所述仪器采用权利要求7所述的方法监测光栅对平行。