CN109029929B - 拍瓦级高功率激光系统靶面焦点精确定位的方法 - Google Patents

拍瓦级高功率激光系统靶面焦点精确定位的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109029929B
CN109029929B CN201810749062.0A CN201810749062A CN109029929B CN 109029929 B CN109029929 B CN 109029929B CN 201810749062 A CN201810749062 A CN 201810749062A CN 109029929 B CN109029929 B CN 109029929B
Authority
CN
China
Prior art keywords
target
light
spectroscope
plane
data
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201810749062.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109029929A (zh
Inventor
谢兴龙
朱坪
朱健强
孙美智
朱海东
杨庆伟
郭爱林
康俊
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Original Assignee
Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS filed Critical Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority to CN201810749062.0A priority Critical patent/CN109029929B/zh
Publication of CN109029929A publication Critical patent/CN109029929A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109029929B publication Critical patent/CN109029929B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/02—Testing optical properties
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B17/00—Systems with reflecting surfaces, with or without refracting elements
    • G02B17/08—Catadioptric systems
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Lasers (AREA)
  • Mounting And Adjusting Of Optical Elements (AREA)

Abstract

一种拍瓦级高功率激光系统靶面焦点精确定位的方法，该方法包括搭建光学系统和CCD数据采集处理系统，所述的光学系统由平面全反镜、分光镜和聚焦透镜组成，所述的数据处理系统包括CCD探测器和计算机。本发明解决了拍瓦级激光系统在物理实验过程中靶面焦点的精确定位问题，不仅能精确定位，而且操作相对简单。

Description

拍瓦级高功率激光系统靶面焦点精确定位的方法
技术领域
本发明涉及高功率超短脉冲激光系统，特别是一种拍瓦级高功率激光系统靶面焦点精确定位的方法。
背景技术
拍瓦级高功率激光系统聚焦的目的是实现尽可能高的可聚焦峰值功率密度，因此除了具有飞秒级的输出脉宽之外，物理实验过程中焦点的保持十分重要。另一方面，当激光器功率密度大于1012W/cm2时，空气中的气体分子将会被电离成等离子体，造成激光能量不能顺利到达物理实验靶。因此强激光物理实验通常都在真空靶室中进行，激光系统的聚焦和调靶也必须在真空状态下完成。
由于拍瓦激光输出的是宽频光，系统的聚焦一般采用离轴抛物面反射镜来实现，这样不但可以消除色散对焦点的影响，也可以避免由于透射元件引起的脉冲变宽。现有的聚焦调整，通常在非真空状态下，利用小信号激光测出焦点位置，真空状态下，依靠外部的监视系统和离轴抛物面反射镜调整架上的伺服电机或者实验靶架上的伺服电机进行靶上焦点的精确复位。通用的外部监视系统如图2所示，从靶面的两个正交方向利用真空靶室外的光学系统 (图2中的(8)和(9)，另外(5)为离轴抛物面反射镜，(6)为平面靶)，分别监视激光聚焦在靶上的位置和焦距，然后进行真空状态下的焦点复位。
这种方法存在以下几点不足：
(1)由于必须在真空靶室外面监控，光学系统距离靶面太远，而且由于其孔径具有一定的大小，因此光学系统的分辨率通常不能满足要求，而拍瓦级激光系统往往几微米的焦距误差就能造成焦斑相差一倍的大小。
(2)由于光学系统的观测通常在可见光波段，和物理实验的激光波长不同，由于光学系统的色差原因，造成检测到的焦距和实际的激光焦距有所偏差。
(3)由于靶点监视需要两套正交的光学系统，在空间占用和实验操作方面相对复杂。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的缺点，提供一种拍瓦级高功率激光系统靶面焦点精确定位的方法，该方法解决了拍瓦级激光系统在物理实验过程中靶面焦点的精确定位问题，不仅能精确定位，而且操作相对简单。
本发明的技术解决方案如下：
一种拍瓦级高功率激光系统靶面焦点精确定位的方法，该方法包括如下步骤：
①搭建光学系统和CCD数据采集处理系统：
所述的光学系统由平面全反镜、分光镜和聚焦透镜组成，所述的分光镜放置在所述的拍瓦级高功率激光系统靶室的入射光路中，该分光镜的反射率R 为0.1，并且具有移进移出功能，移进移出由平移导轨和步进马达实现，所述的平面全反镜和聚焦透镜处于激光光路之外，所述的平面全反镜反射入射的激光实现光束折返，所述的聚焦透镜完成取样光束的聚焦；
所述的数据处理系统包括CCD探测器和计算机，所述的CCD探测器位于所述的聚焦透镜的焦平面，所述的CCD探测器的输出端与所述的计算机的输入端相连，所述的数据处理系统实现数据的采集和处理功能；
②将所述的分光镜通过导轨移入所述的入射光路之中，分光镜与入射激光的传输方向成45°，该分光镜将入射光分成反射光和透射光，所述的反射光经所述的聚焦透镜聚焦在所述的CCD探测器；所述的透射光进入真空靶室，经过离轴抛物面反射镜聚焦到物理实验所用的平面靶，所述的平面靶和所述的离轴抛物面反射镜的空间平移和转动调节由调整架上的伺服电机完成，伺服电机的控制系统放置在真空靶室之外，系统调试时，调节所述的平面靶的位置，使经所述的平面靶的反射光接近原路返回，经过所述的离轴抛物面反射镜、分光镜后，被反射到所述的平面全反镜，经该平面全反镜反射的光再次透过所述的分光镜经所述的聚焦透镜聚焦在所述的CCD探测器上，所述的平面全反镜相对于正入射有一个0.5度左右的倾角，使透射光经该平面全反镜反射和所述的分光镜透射和所述的聚焦透镜聚焦后，在CCD探测器上的焦点与反射光的焦点处于不同位置；
③调试过程中，所述的平面靶的位置监视，由平面靶的控制系统提供精确的位置数据；针对所述的平面靶的不同位置，所述的CCD探测器采集到入射光的直接反射光和靶场返回光的两组焦斑的光强数据，分别用X和Y表示，假定两焦斑对应位置的数据采集点具有共同的下标i，用Xi和Yi分别表示采集到的特定的对应位置的两焦斑的光强数据；
④数据处理：采集到的反射光焦斑和透射光焦斑数据传输到计算机之后，由计算机进行处理并计算反射光光斑与透射光光斑的位置的均方差：首先，由于入射光的直接反射光和靶场返回光经过的光学元件不同，因此靶场返回光的焦斑数据需要乘以归一化因子[1/(1-R)2]，所以两焦斑的绝对偏差必须以下式计算：
Figure GDA0002277693530000031
其中，σ定位为焦斑偏差，X为所述的入射光直接反射的焦斑的取样数据，Y 为靶场返回光的焦斑的取样数据，下标j对应的是所述的平面靶的位置编号，不同的j对应靶面的不同位置，R为分光镜(2)的反射率；
⑤针对平面靶不同的位置j，重复步骤③、④，并找到σj的最小值，利用平面靶的伺服机构将平面靶移到σj的最小值对应的位置，此时的靶面位置严格处于离轴抛物面反射镜的焦点之上，将所述的分光镜移出所述的拍瓦级高功率激光系统靶室的入射光路，完成靶面焦点精确定位。
分光镜反射率设计为R＝0.1，由于激光聚焦的离轴抛物面反射镜反射率为 1.0，假定靶面的反射率也为1.0，这样进入靶室之前和之后的激光取样后的强度分别为：
I1＝RI0＝0.1I0
I2＝(1-R)R(1-R)I0＝0.08I0
保证了入射前后光强差别不大。
本发明的技术效果如下：
实验表明，本发明解决了拍瓦级激光系统在物理实验过程中靶面焦点的精确定位问题，不仅能精确定位，而且操作相对简单。
附图说明
图1为本发明拍瓦级激光系统靶面焦点精确定位方法的示意图
图2是现有高功率激光系统常用的真空外靶面检测系统示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
参照图1，图1是本发明拍瓦级激光系统靶面焦点精确定位方法的示意图，
本发明拍瓦级高功率激光系统靶面焦点精确定位的方法，该方法包括如下步骤：
①搭建光学系统和CCD数据采集处理系统：
所述的光学系统由平面全反镜1、分光镜2和聚焦透镜3组成，所述的分光镜2放置在所述的拍瓦级高功率激光系统靶室的入射光路中，该分光镜2的反射率R为0.1，并且具有移进移出功能，移进移出由平移导轨和步进马达实现，图1中用虚线标识的反射镜2的位置，为正式实验时移出光路时的情景，所述的平面全反镜1和聚焦透镜3处于激光光路之外，所述的平面全反镜1反射入射的激光实现光束折返，所述的聚焦透镜3完成取样光束的聚焦；
所述的数据处理系统包括CCD探测器4和计算机10，所述的CCD探测器4位于所述的聚焦透镜3的焦平面，所述的CCD探测器4的输出端与所述的计算机10 的输入端相连，所述的数据处理系统实现数据的采集和处理功能；
②将所述的分光镜2通过导轨移入所述的入射光路之中，分光镜2与入射激光的传输方向成45°，该分光镜2将入射光分成反射光和透射光，所述的反射光经所述的聚焦透镜3聚焦在所述的CCD探测器4；所述的透射光进入真空靶室7，经过离轴抛物面反射镜5聚焦到物理实验所用的平面靶6，所述的平面靶 6和所述的离轴抛物面反射镜5的空间平移和转动调节由调整架上的伺服电机完成，伺服电机的控制系统放置在真空靶室之外，系统调试时，调节所述的平面靶6的位置，使经所述的平面靶6的反射光接近原路返回，经过所述的离轴抛物面反射镜5、分光镜2后，被反射到所述的平面全反镜1，经该平面全反镜1反射的光再次透过所述的分光镜2经所述的聚焦透镜3聚焦在所述的CCD探测器4上，所述的平面全反镜1相对于正入射有一个0.5度左右的倾角，使透射光经该平面全反镜1反射和所述的分光镜1透射和所述的聚焦透镜3聚焦后，在 CCD探测器4上的焦点与反射光的焦点处于不同位置；
③调试过程中，所述的平面靶6的位置监视，由平面靶6的控制系统提供提供精确的位置数据；针对所述的平面靶6的不同位置，所述的CCD探测器4采集到入射光的直接反射光和靶场返回光的两组焦斑的光强数据，分别用X和Y 表示，假定两焦斑对应位置的数据采集点具有共同的下标i，用Xi和Yi分别表示采集到的特定的对应位置的两焦斑的光强数据；
④数据处理：采集到的反射光焦斑和透射光焦斑数据传输到计算机之后，由计算机进行处理并计算反射光光斑与透射光光斑的位置的均方差：首先，由于入射光的直接反射光和靶场返回光经过的光学元件不同，因此靶场返回光的焦斑数据需要乘以归一化因子[1/(1-R)2]，所以两焦斑的绝对偏差必须以下式计算：
Figure GDA0002277693530000051
其中，σ定位为焦斑偏差，X为所述的入射光直接反射的焦斑的取样数据，Y 为所述靶 场返回光的焦斑的取样数据，下标j对应的是所述的平面靶位置编号，对应靶面的不同位置，R为分光镜(2)的反射率；
⑤针对平面靶不同的位置j，重复步骤③、④，并找到σj的最小值，利用平面靶的伺服机构将所述的平面靶6移到σj的最小值对应的位置，此时的靶面位置严格处于离轴抛物面反射镜5的焦点之上，将所述的分光镜2移出所述的拍瓦级高功率激光系统靶室的入射光路，完成靶面焦点精确定位。
实验表明，本发明解决了拍瓦级激光系统在物理实验过程中靶面焦点的精确定位问题，不仅能精确定位，而且操作相对简单。

Claims (1)

1.一种拍瓦级高功率激光系统靶面焦点精确定位的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
①搭建光学系统和CCD数据采集处理系统：
所述的光学系统由平面全反镜(1)、分光镜(2)和聚焦透镜(3)组成，所述的分光镜(2)放置在所述的拍瓦级高功率激光系统靶室的入射光路中，该分光镜(2)的反射率R为0.1，并且具有移进移出功能，移进移出由平移导轨和步进马达实现，所述的平面全反镜(1)和聚焦透镜(3)处于激光光路之外，所述的平面全反镜(1)反射入射的激光实现光束折返，所述的聚焦透镜(3)完成取样光束的聚焦；
所述的数据处理系统包括CCD探测器(4)和计算机(10)，所述的CCD探测器(4)位于所述的聚焦透镜(3)的焦平面，所述的CCD探测器(4)的输出端与所述的计算机(10)的输入端相连，所述的数据处理系统实现数据的采集和处理功能；
②将所述的分光镜(2)通过导轨移入所述的入射光路之中，分光镜(2)与入射激光的传输方向成45°，该分光镜(2)将入射光分成反射光和透射光，所述的反射光经所述的聚焦透镜(3)聚焦在所述的CCD探测器(4)；所述的透射光进入真空靶室(7)，经过离轴抛物面反射镜(5)聚焦到物理实验所用的平面靶(6)，所述的平面靶(6)和所述的离轴抛物面反射镜(5)的空间平移和转动调节由调整架上的伺服电机完成，伺服电机的控制系统放置在真空靶室之外，系统调试时，调节所述的平面靶(6)的位置，使经所述的平面靶(6)的反射光接近原路返回，经过所述的离轴抛物面反射镜(5)、分光镜(2)后，被反射到所述的平面全反镜(1)，经该平面全反镜(1)反射的光再次透过所述的分光镜(2)经所述的聚焦透镜(3)聚焦在所述的CCD探测器(4)上，所述的平面全反镜(1)相对于正入射有一个0.5度左右的倾角，使透射光经该平面全反镜(1)反射和所述的分光镜(2)透射和所述的聚焦透镜(3)聚焦后，在CCD探测器(4)上的焦点与反射光的焦点处于不同位置；
③调试过程中，所述的平面靶(6)的位置监视，由平面靶(6)的控制系统提供，并可以提供精确的位置数据；针对所述的平面靶(6)的不同位置，所述的CCD探测器(4)采集到入射光的直接反射光和靶场返回光的两组焦斑的光强数据，分别用X和Y表示，假定两焦斑对应位置的数据采集点具有共同的下标i，用Xi和Yi分别表示采集到的特定的对应位置的两焦斑的光强数据；
④数据处理：采集到的反射光焦斑和透射光焦斑数据传输到计算机之后，由计算机进行处理并计算反射光光斑与透射光光斑的位置的均方差：首先，由于入射光的直接反射光和靶场返回光经过的光学元件不同，因此靶场返回光的焦斑数据需要乘以归一化因子[1/(1-R)2]，所以两焦斑的绝对偏差必须以下式计算：
Figure FDA0002277693520000021
其中，σ定位为焦斑偏差，X为所述的入射光直接反射的焦斑的取样数据，Y为所述靶场返回光的焦斑的取样数据，下标j对应的是所述的平面靶的位置编号，不同的j对应靶面的不同位置，R为分光镜(2)的反射率；
⑤针对平面靶不同的位置j，重复步骤③、④，并找到σj的最小值，利用平面靶的伺服机构将平面靶(6)移到σj的最小值对应的位置，此时的平面靶(6)严格处于离轴抛物面反射镜(5)的焦点之上，将所述的分光镜移出所述的拍瓦级高功率激光系统靶室的入射光路，完成靶面焦点精确定位。
CN201810749062.0A 2018-07-10 2018-07-10 拍瓦级高功率激光系统靶面焦点精确定位的方法 Active CN109029929B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810749062.0A CN109029929B (zh) 2018-07-10 2018-07-10 拍瓦级高功率激光系统靶面焦点精确定位的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810749062.0A CN109029929B (zh) 2018-07-10 2018-07-10 拍瓦级高功率激光系统靶面焦点精确定位的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109029929A CN109029929A (zh) 2018-12-18
CN109029929B true CN109029929B (zh) 2020-04-03

Family

ID=64642042

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810749062.0A Active CN109029929B (zh) 2018-07-10 2018-07-10 拍瓦级高功率激光系统靶面焦点精确定位的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109029929B (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113543447B (zh) * 2020-04-13 2023-05-12 中国科学院上海光学精密机械研究所 基于激光加速器的中微子束产生装置
CN112207428B (zh) * 2020-10-13 2022-04-01 中国科学院上海光学精密机械研究所 实现与定向束线360°位型相互作用的激光聚焦调节系统
CN112383998A (zh) * 2020-11-24 2021-02-19 中国科学院上海光学精密机械研究所 基于激光加速器的单粒子效应测试装置
CN115555705B (zh) * 2021-07-01 2024-04-12 中国科学院上海光学精密机械研究所 多路皮秒和纳秒复合高功率激光脉冲系统及聚焦调节方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101873167A (zh) * 2010-06-12 2010-10-27 长春理工大学 一种基于多元组合旋转抛物面面型结构的一点对多点激光通信装置

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63289426A (ja) * 1987-05-22 1988-11-25 Hitachi Ltd フ−リエ変換分光分析計
CN102269858A (zh) * 2010-06-02 2011-12-07 北京智朗芯光科技有限公司 自动聚焦系统和自动聚焦方法
CN102360147B (zh) * 2011-09-28 2013-06-12 中国科学院上海光学精密机械研究所 基于深刻蚀透射式石英光栅的啁啾控制装置
CN102608757B (zh) * 2012-03-09 2014-10-01 中国科学院上海光学精密机械研究所 提高高能拍瓦激光聚焦功率密度的装置和方法
CN105334028B (zh) * 2015-12-14 2017-11-24 中国科学院光电技术研究所 一种利用单探测器合成远场提高双光束合成精度和指向精度的标定方法
CN107167455A (zh) * 2017-05-23 2017-09-15 北京理工大学 分光瞳激光差动共焦cars显微光谱测试方法及装置

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101873167A (zh) * 2010-06-12 2010-10-27 长春理工大学 一种基于多元组合旋转抛物面面型结构的一点对多点激光通信装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN109029929A (zh) 2018-12-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109029929B (zh) 拍瓦级高功率激光系统靶面焦点精确定位的方法
CN103098319B (zh) 激光束分析装置
WO2018082136A1 (zh) 扫描式激光诱导光谱面范围分析检测系统
CN103267746B (zh) 一种宏观与微区集成式激光探针成分分析仪
CN102155990B (zh) 一种中阶梯光栅光谱仪的装调方法
CN107765426B (zh) 基于对称离焦双探测器的自聚焦激光扫描投影装置
US20150334814A1 (en) Device for controlling laser beam and apparatus for generating extreme ultraviolet light
CN108563034B (zh) 反射型空间滤波器调试装置和方法
US20230330773A1 (en) Laser processing device
CN116499709A (zh) 一种激光光束指向误差高精度检测装置及检测方法
CN212470240U (zh) 一种光束指向稳定性监测与反馈装置
CN113465547A (zh) 一种线式扫描光谱共聚测量系统与方法
CN113927191B (zh) 一种激光加工光束质量监测系统及方法
CN114609773B (zh) 一种高功率激光库德光路调试方法
CN102706830A (zh) 一种固定光栅的Czerny-Turner型光纤光谱仪
CN105203457B (zh) 红外显微镜的放大组件
CN113589313A (zh) 一种用于机载高能激光武器的高精度跟踪系统装置
CN108051182A (zh) 一种激光分系统综合测试设备
CN112526531A (zh) 一种具有多目标激光测距功能的双视场红外成像系统
CN111579090A (zh) 一种小型化高精度红外面阵测温热像仪
CN109060317B (zh) 激光光束远距离传输的特性参数试验系统及其工作过程
CN216247137U (zh) 一种多光学传感器靶面及光轴平行性综合装调装置
CN112781839B (zh) 一种透镜性能测试系统
US6762405B1 (en) Matrix assisted laser ionization system
CN114062346A (zh) 一种原位高压激光加热系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant