CN109323759A - 提高激光倍频系统温度主动跟随补偿精度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高激光倍频系统温度主动跟随补偿精度的方法，倍频晶体的最佳匹配角是针对某一温度设定，外界环境的温度波动将会引起晶体匹配角失谐，倍频效率下降。本发明基于倍频晶体温度实时检测、角度动态调节的方法，从晶体温度探测方法、晶体匹配角随温度变化规律及角度调节机构等方面进行了优化，建立了系统精确的激光倍频系统温度主动跟随补偿技术。本发明提高了该技术晶体最佳匹配角的控制精度，为大口径高功率激光高效稳定输出奠定了基础。
Description
技术领域
本发明属于高功率激光倍频领域，具体涉及一种提高激光倍频系统温度主动跟随补偿精度的方法。
背景技术
高功率固体激光装置能输出兆焦耳级(MJ,1MJ＝106J)的激光能量，拍瓦(PW,1PW＝1015W)甚至艾瓦级(EW,1EW＝1018W)的激光功率，如此高能量、高功率密度能够在实验室中产生超强的电磁场和压强等极端物态条件，为高能量密度科学、强场物理、实验室天体物理等领域的研究提供条件，特别是近几十年来发展起来的惯性约束聚变研究，得到了世界各大国的重点关注，代表性的大型激光装置为美国NIF装置。
激光倍频系统可以将基频红外光转换为不同短波长激光，满足各领域的实验需求。高功率激光倍频材料普遍采用光学性能优良且易获得大口径的非线性光学晶体。倍频过程中晶体的最佳匹配角是针对某一温度设定，外界环境的温度波动将引起晶体匹配角失谐，倍频效率下降，这严重制约了高功率激光的高效、稳定输出。为此，高功率激光装置通常将倍频晶体置于温控系统中以保证倍频角度匹配、输出效率稳定。但是该技术路线对于大口径倍频晶体适用性较差，这主要是因为温控系统热源通常分布在晶体周边，晶体温度将从边缘向中心梯度变化，大口径倍频晶体通光面的温度均匀性难以保证，导致倍频效率空间分布的不均匀，另外，温控系统带来倍频系统复杂、成本高的问题。针温控路线的弊端，有研究人员提出了在激光脉冲发射前基于倍频晶体温度变化主动调节匹配角度的思路来解决环境温度变化对倍频效率的影响，并在大口径高功率激光装置中得到了初步验证，倍频效率稳定性控制精度达到5％(赵润昌、李平、李海等,晶体角度跟随三倍频效率控制技术,强激光与粒子束,26,2014)。对于高功率激光倍频过程，倍频效率对角度十分敏感，美国NIF装置要求三倍频晶体匹配角的误差≦±40μrad，若采用温度检测、角度补偿的技术路线就要求晶体温度探测方法、晶体匹配角随温度变化规律及角度调节机构等各方面均要求具有较高的精度，如何降低测量过程误差、提高此方法的精度是该技术路线的关键。
发明内容
针对激光倍频系统温度变化问题，本发明发展了激光倍频系统温度主动跟随补偿技术路线，从晶体温度探测方法、晶体最佳匹配角随温度变化规律及角度调节机构等方面进行了优化。
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。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种提高激光倍频系统温度主动跟随补偿精度的方法，其中，倍频晶体最佳匹配角随温度的变化规律的测量系统包括依次设置的基频光束、激光倍频系统、目标光束、聚焦透镜、滤光片、衰减片及CCD相机；其中，基频光束经过激光倍频系统获得目标光束，目标光经过聚焦透镜、滤光片、衰减片后进入CCD相机；所述激光倍频系统是由一块或多块倍频晶体级联组成的二倍频、三倍频、四倍频及五倍频激光输出系统；
倍频晶体最佳匹配角随温度变化规律的测量步骤包括：
步骤一、确定倍频晶体温度的变化区间T0～T1，在T0～T1之间等间距选取至少3个温度测量点，利用激光装置的高重频激光脉冲开展测量；
步骤二、在某温度测量点调节各块倍频晶体角度直至CCD相机上观察到较强的目标光束光斑，此时各倍频晶体位置均设为零位；
步骤三、测量目标光束光斑灰度随晶体敏感轴失谐角度的变化规律，通过曲线拟合获得倍频晶体的最佳匹配角度θ；
步骤四、重复步骤三直至获得所有温度测量点下的倍频晶体最佳匹配角度；
步骤五、绘制温度和最佳匹配角的关系曲线，通过曲线拟合获得θ(T)函数。
优选的是，所述倍频晶体为KDP、DKDP、ADP、LBO、YCOB非线性光学晶体中的一种或几种。
优选的是，所述步骤一中，倍频晶体温度的检测方式为在每块倍频晶体的非通光区域放置温度探头，探头数量≧3，且温度探头均经校准并与倍频晶体表面接触，温度探测精度±0.1℃，温度取所有探测点结果的平均值；
优选的是，所述步骤二中，倍频晶体角度的调节方式为：倍频晶体置于角度可电动调节的晶体框内，调节电机不工作时处于零电流状态，且与倍频晶体距离≥5cm，晶体敏感轴角度调节机构采用光栅尺反馈机制，复位精度≦1μm。
优选的是，实时监测倍频晶体温度并根据倍频晶体最佳匹配角随温度变化规律主动跟随补偿倍频晶体角度需在激光脉冲发射前2分钟内完成。
优选的是，倍频晶体最佳匹配角随温度的变化规律测量方式为倍频晶体在线测量且每个温度测量点在测量时间范围内温度变化≦±0.1℃；入射基频光束每5分钟发射一次。
本发明至少包括以下有益效果：本发明发展了大口径高功率激光装置倍频系统温度主动跟随补偿技术，提高了该技术的控制精度，为大口径高功率激光高效稳定输出奠定了基础。
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为本发明中的倍频晶体温度探头分布示意图；
其中，1-倍频晶体；2～4-温度探头，5-通光口径。
图2为本发明匹配角随温度变化规律测量系统的示意图；
其中，1-基频光束，2-倍频系统，3-目标光束，4-聚焦透镜，5-滤光片，6-衰减片，7-CCD相机。
图3为本发明实施例1中三倍频激光强度随晶体匹配角的变化曲线；
图4为本发明实施例1中二倍频、三倍频晶体最佳匹配角随温度的变化规律；
图5为本发明三倍频过程中不同温度下的倍频效率。
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。
实施例1：
本实施例以三倍频过程为例说明，选取基频光束波长为1053nm，通光口径360mm，激光倍频系统由I类KDP晶体和Ⅱ类DKDP晶体组成，晶体口径均为430mm，倍频晶体置于角度可电动调节的晶体框内，调节电机不工作时处于零电流状态，与晶体距离8cm，晶体敏感轴调节机构采用光栅尺反馈机制，复位精度0.5μm，每块倍频晶体的非通光区域各放置3个温度探头，温度探头与晶体表面接触，晶体温度取3个温度探头测量值的平均值，晶体温度变化区间为22℃～25℃，分别选取22.3℃、24.1℃和24.8℃三个温度测量点，在每个温度测量点倍频系统测试时间范围内温度变化±0.1℃，入射基频光每5分钟发射一次；
测量倍频晶体匹配角随温度的变化规律步骤如下：
步骤一、搭建图2所示的测量系统，目标光束波长351nm，经聚焦透镜、滤光片及衰减片进入CCD相机以探测目标光束光斑；
步骤二、晶体温度22.3℃时不断调节I类KDP晶体(二倍频晶体)和Ⅱ类DKDP晶体(三倍频晶体)角度直至CCD相机上明显观察到三倍频光束光斑，此时晶体位置设为零位；
步骤三、晶体温度22.3℃时探测I类KDP晶体(二倍频晶体)处于不同角度下时获得的三倍频光束光斑并统计光斑总灰度，曲线拟合I类KDP晶体(二倍频晶体)角度和光斑总灰度的关系，三倍频光束光斑灰度最大时对应I类KDP晶体(二倍频晶体)最佳匹配角(见图3)，并将I类KDP晶体(二倍频晶体)置于最佳匹配角位置；
步骤四、晶体温度22.3℃时探测Ⅱ类DKDP晶体(三倍频晶体)处于不同角度下时获得的三倍频光束光斑并统计光斑总灰度，曲线拟合Ⅱ类DKDP晶体(三倍频晶体)角度和光斑总灰度的关系，三倍频光束光斑灰度最大时对应Ⅱ类DKDP晶体(三倍频晶体)最佳匹配角(见图3)；
步骤五、重复步骤三～四分别测量24.1℃和24.8℃时I类KDP晶体(二倍频晶体)和Ⅱ类DKDP晶体(三倍频晶体)的最佳匹配角；
步骤六、绘制温度和最佳匹配角的关系曲线(见图4)，随着温度升高I类KDP晶体(二倍频晶体)和Ⅱ类DKDP晶体(三倍频晶体)相对匹配角线性增加，温度每升高1℃I类KDP晶体(二倍频晶体)匹配角相对变化78μrad，Ⅱ类DKDP晶体(三倍频晶体)相对变化235μrad；
之后，在装置发次运行中实时检测晶体的温度，在激光脉冲发射前根据晶体的温度相对于22.3℃的变化量调节分别调节I类KDP晶体(二倍频晶体)和Ⅱ类DKDP晶体(三倍频晶体)的最佳匹配角；实施结果(图5)表明采用该技术方案后激光装置主激光脉冲(基频功率2GW/cm2)运行过程中三倍频效率稳定得到了较大提高，效率RMS＝0.38％，这就验证了该方法的有效性。
实施例2：
本实施例以四倍频过程为例说明，选取基频光束波长为1053nm，通光口径360mm，激光倍频系统由I类KDP晶体和I类DKDP晶体组成，晶体口径均为430mm，倍频晶体置于角度可电动调节的晶体框内，调节电机不工作时处于零电流状态，与晶体距离8cm，晶体敏感轴调节机构采用光栅尺反馈机制，复位精度0.5μm，每块倍频晶体的非通光区域各放置3个温度探头，温度探头与晶体表面接触，晶体温度取3个温度探头测量值的平均值，晶体温度变化区间为22℃～25℃，分别选取22℃、23.5℃和25℃三个温度测量点，在每个温度测量点倍频系统测试时间范围内温度变化±0.1℃，入射基频光每5分钟发射一次；
测量倍频晶体匹配角随温度的变化规律步骤如下：
步骤一、搭建图2所示的测量系统，目标光束波长263nm，经聚焦透镜、滤光片及衰减片进入CCD相机以探测目标光束光斑；
步骤二、晶体温度22℃时不断调节I类KDP晶体(二倍频晶体)和I类DKDP晶体(四倍频晶体)角度直至CCD相机上明显观察到四倍频光束光斑，此时晶体位置设为零位；
步骤三、晶体温度22℃时探测I类KDP晶体(二倍频晶体)处于不同角度下时获得的四倍频光束光斑并统计光斑总灰度，曲线拟合I类KDP晶体(二倍频晶体)角度和光斑总灰度的关系，四倍频光束光斑灰度最大时对应I类KDP晶体(二倍频晶体)最佳匹配角，并将I类KDP晶体(二倍频晶体)置于最佳匹配角位置；
步骤四、晶体温度22℃时探测I类DKDP晶体(四倍频晶体)处于不同角度下时获得的四倍频光束光斑并统计光斑总灰度，曲线拟合I类DKDP晶体(四倍频晶体)角度和光斑总灰度的关系，四倍频光束光斑灰度最大时对应I类DKDP晶体(四倍频晶体)最佳匹配角；
步骤五、重复步骤三～四分别测量23.5℃和25℃时I类KDP晶体(二倍频晶体)和I类DKDP晶体(四倍频晶体)的最佳匹配角；
步骤六、绘制温度和最佳匹配角的关系曲线，通过曲线拟合获得θ(T)函数；
之后，在装置发次运行中实时检测晶体的温度，在激光脉冲发射前根据晶体的温度相对于22℃的变化量调节分别调节I类KDP晶体(二倍频晶体)和I类DKDP晶体(四倍频晶体)的最佳匹配角。
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 (6)
1.一种提高激光倍频系统温度主动跟随补偿精度的方法，其特征在于，
倍频晶体最佳匹配角随温度的变化规律的测量系统包括依次设置的基频光束、激光倍频系统、目标光束、聚焦透镜、滤光片、衰减片及CCD相机；其中，基频光束经过激光倍频系统获得目标光束，目标光经过聚焦透镜、滤光片、衰减片后进入CCD相机；所述激光倍频系统是由一块或多块倍频晶体级联组成的二倍频、三倍频、四倍频及五倍频激光输出系统；
倍频晶体最佳匹配角随温度变化规律的测量步骤包括：
步骤一、确定倍频晶体温度的变化区间T0～T1，在T0～T1之间等间距选取至少3个温度测量点，利用激光装置的高重频激光脉冲开展测量；
步骤二、在某温度测量点调节各块倍频晶体角度直至CCD相机上观察到较强的目标光束光斑，此时各倍频晶体位置均设为零位；
步骤三、测量目标光束光斑灰度随晶体敏感轴失谐角度的变化规律，通过曲线拟合获得倍频晶体的最佳匹配角度θ；
步骤四、重复步骤三直至获得所有温度测量点下的倍频晶体最佳匹配角度；
步骤五、绘制温度和最佳匹配角的关系曲线，通过曲线拟合获得θ(T)函数。
2.如权利要求1所述的提高激光倍频系统温度主动跟随补偿精度的方法，其特征在于，所述倍频晶体包括KDP、DKDP、ADP、LBO、YCOB非线性光学晶体中的一种或几种。
3.如权利要求1所述的提高激光倍频系统温度主动跟随补偿精度的方法，其特征在于，所述步骤一中，倍频晶体温度的检测方式为在每块倍频晶体的非通光区域放置温度探头，探头数量≧3，且温度探头均经校准并与倍频晶体表面接触，温度探测精度±0.1℃，温度取所有探测点结果的平均值。
4.如权利要求1所述的提高激光倍频系统温度主动跟随补偿精度的方法，其特征在于，所述步骤二中，倍频晶体角度的调节方式为：倍频晶体置于角度可电动调节的晶体框内，调节电机不工作时处于零电流状态，且与倍频晶体距离≥5cm，晶体敏感轴角度调节机构采用光栅尺反馈机制，复位精度≦1μm。
5.如权利要求1所述的提高激光倍频系统温度主动跟随补偿精度的方法，其特征在于，实时监测倍频晶体温度并根据倍频晶体最佳匹配角随温度变化规律主动跟随补偿倍频晶体角度需在激光脉冲发射前2分钟内完成。
6.如权利要求1所述的提高激光倍频系统温度主动跟随补偿精度的方法，其特征在于，倍频晶体最佳匹配角随温度的变化规律测量方式为倍频晶体在线测量且每个温度测量点在测量时间范围内温度变化≦±0.1℃；入射基频光束每5分钟发射一次。
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