CN111211474A - 基于自水平激光投线仪的光栅压缩器全宽度调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于自水平激光投线仪的光栅压缩器全宽度调节方法，根据自水平激光投线仪建立起垂直于重力方向的水平激光面，用于光栅的姿态调节，根据自水平激光投线仪建立起平行于重力方向的竖直激光面，用于单个光栅的方向确定和两个光栅之间的平行调节。本发明实现了光栅压缩器的全宽度调节。本发明以重力方向为调节基准，避免了光栅压缩器所在光学平台的翘曲所带来的激光调节基准偏差；本发明以自水平激光投线仪为基准激光，减少了基准激光的调试工作量，简化了光栅压缩器的调试工作。

Description

基于自水平激光投线仪的光栅压缩器全宽度调节方法

技术领域

本发明涉及光栅压缩器的调节方法，重点涉及光栅姿态、两光栅面平行、折返镜的调节方案，特别是基于自水平激光投线仪的光栅姿态及两光栅面平行的调节方法。

涉及适用于能够输出超强超短激光脉冲的啁啾脉冲激光放大装置的研究与应用领域，属于一种可以调节啁啾脉冲激光放大装置关键部件——光栅压缩器的方法，可以减少甚至避免激光经过光栅压缩器时由于光栅姿态存在误差或两光栅面不平行或折返镜扭曲而产生的超强超短激光脉冲光束质量劣化。

背景技术

“超强超短”是指激光脉冲的时间宽度短至100飞秒以下(飞秒，即10^-15s，缩写fs)，峰值功率高至100太瓦以上(太瓦，即10¹²W，缩写TW)。

啁啾脉冲激光放大装置能够实现超强超短脉冲输出，是超强超短激光科学领域研究的基础设备。它采用啁啾脉冲放大(Chirped Pulse Amplification，简写为CPA)方法为基本技术路线，能够实现超强超短激光脉冲输出。典型方案以采用CPA技术的钛宝石激光系统为例：飞秒激光源振荡锁模，产生强度较弱的800nm波段飞秒种子脉冲；飞秒种子脉冲被送入光栅展宽器中，受到展宽器的正色散作用，成为光谱随时间分布的啁啾脉冲，展宽器的色散越强，则脉冲啁啾越强；脉冲啁啾越强，则脉冲时域越宽。在大能量的啁啾脉冲激光装置中，种子飞秒脉冲通常被展宽百万倍，成为纳秒量级的长脉冲。纳秒长脉冲在包括各级激光放大介质在内的色散光学器件中穿行，逐级获得能量放大，同时持续受到光学材料色散的作用(通常也是正色散，但远小于光栅展宽器色散)。最后，在系统末端，利用光栅压缩器的负色散，补偿之前的正色散，消除激光脉冲中的啁啾，使能量被充分放大的激光脉冲被压缩回飞秒超短脉冲，最终实现超强超短激光脉冲的输出。与普通纳秒激光脉冲相比，超短飞秒激光脉冲具有宽带光谱的特点。

光栅压缩器作为啁啾脉冲激光放大装置的末端或输出端，其标准构造是四面平面反射光栅两两平行并呈镜像放置，见图1和图2。图1为标准构造光栅压缩器的水平结构示意图，其中，激光依序经竖直放置的光栅1、光栅2、光栅3和光栅4的反射式衍射后出射。图2是标准构造光栅压缩器的立体结构示意图，大口径的激光依序经过竖直放置的光栅1、光栅2、光栅3和光栅4的反射式衍射后出射。其特点是所有光学元件都在同一水平面内。

在激光束口径较小时，可以选用简化光栅压缩器结构。光栅压缩器的简化构型是二个互相平行的平面反射光栅，加上一个折返镜做为镜像装置，见图3。图3是简化构造光栅压缩器的立体结构图。保留了光栅1和光栅2，用折返镜5替代了原本的光栅3和光栅4。折返镜5由两片在竖直面内互相垂直的上平面反射镜8和下平面反射镜9构成，见图4。图4是折返镜的立体结构示意图。折返镜5将光栅1和光栅2过来的衍射光折入另一个高度的水平面并返回光栅1和光栅2。平面反射镜6和平面反射镜7用来引入激光和引出激光。从图中可以明显看出平面反射镜6和平面反射镜7高低不同，不在同一水平面内。

光栅压缩器的物理原理可以这样描述：宽光谱激光在平面反射光栅的衍射作用下，不同光谱分量沿不同的光路行进，具有不同长度的光程，形成空间色散。在镜像的布局下，输出激光脉冲不同光谱分量的光程差(或者说空间色散)变成了时间域的色散延时。总而言之，光栅压缩器通过色散管理实现了对激光脉冲宽度的管理。

如果光栅或折返镜的姿态存在偏差，或者成对光栅之间的平行度不够，都可能干扰空间色散向时间色散的转换。残留的空间色散将破坏光束质量，使得输出光束各处的脉冲宽度不均匀，也无法光学聚焦成接近衍射极限的焦斑，难以实现物理实验所需要的超强峰值功率密度。

在现有技术中，常以He-Ne激光管或半导体激光器作为基准激光，用以调节光栅压缩器各元件的姿态。第一步，假定光学平台严格水平，让基准激光在光学平台上有较长距离的传递。使用串接的平面反射镜调节光束方向，通过标准高度尺在光学平台上来回移动测高，来确认基准激光的水平；第二步，水平的基准激光照射在光栅某个点上，并利用光栅的反射光水平传递，来确认光栅表面垂直于水平面；利用光栅的衍射光水平传递，来确认光栅表面刻线也垂直于水平面。第三步，将基准激光用直角棱镜垂直照在一片光栅上(假设该光栅已经用水平转盘旋转到设定的方位)，确认基准激光与光栅平行后，再改变直角棱镜的位置和方向将基准激光垂直反射向另一片光栅，调节该光栅的水平角度直到光栅与入射基准激光相垂直，这时，可以确认两光栅互相平行。

上述技术方案，在实际中遇到各种困难。

首先，在先技术中的基准激光照射在光栅压缩器元件上，始终只是一个光点式的光斑。严格地说，只能为该点的姿态做出优化。而光栅压缩器各光学元件都有宽大的工作面。在先技术中的基准激光对于光学元件整个工作面的情况是缺乏说服力的。

其次，在先技术的基准激光的水平建立在光学平台台面水平精度基础上。实际上做为大尺寸光栅压缩器所在的光学平台常常由几块光学平台拼接而成，在大尺寸光栅及调整架的重压下，翘曲应变无可避免。这必然导致基准激光的水平精度不可能高且时常变动。

再次，在先技术的光栅压缩器调节方法中，需要多次反复改变基准激光的位置和方向，每次改变都需要重调基准激光的水平。较高精度的水平需要较远的光束距离，这在有限的空间里很难得到保证。

再者，在先技术的基准激光在未准直的情况下，光束随距离的变化逐渐发散，导致调节精度下降。如果要额外添加光学准直器件，又会进一步增加调节的复杂度。为了解决光束发散的问题，在调节过程中常用小孔来限孔辅助调节。但以肉眼从不同角度观察，小孔上的光斑形状是会改变的。这不利于基准激光的精准调节。

此外，很重要的，在先技术中光栅方向由水平转盘的刻度确定，由于旋转轴可能的倾斜偏差，转前和转后都需要重新确定光栅姿态，所以无法精确确定准确的光栅方向(即光栅面与入射光的夹角)。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于自水平激光投线仪的光栅压缩器全宽度调节方法。以改善光栅姿态、两光栅面平行、折返镜姿态、确定光栅方向，减少甚至避免由于光栅姿态存在误差或两光栅面不平行或折返镜扭曲而产生的超强超短脉冲光束质量劣化。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：

采用自水平激光投线仪的水平或竖直激光面为基准激光，实现宽工作面内对光栅压缩器中平面反射光栅和折返镜的姿态及方向。

所述的自水平激光投线仪是一种以重力为基准自动调节自身姿态、提供平行或垂直于重力方向平面激光的激光器。自水平激光投线仪利用高精度的角锥，将半导体激光变成360度全方向的平面激光，可以在周围空间投射多条平直的水平亮线或竖直亮线。因为自水平激光投线仪具有全三维空间投射激光的能力，所以广泛应用于建筑施工、装饰装潢等领域。但与激光器在一维方向上产生、放大激光的特点不合，所以很少应用于激光器领域。

所述的平面反射光栅，是在光学平板表面上附着一层均匀分布的高密度细直刻线，能根据波长将入射光衍射到与反射光完全不同的方向上的色散元件。在超强超短激光装置中，平面反射光栅的面积宽大(根据需要，可能超过一米宽度)，以避免被超强超短激光脉冲所破坏。

所述的折返镜由上下两片平面反射镜构成，这两片平面反射镜在竖直面内互相垂直。在这种结构下，从某一水平面正入射折返镜的光栅衍射光将会被折返镜折入另一个高度的水平面并返回光栅。

所述的光栅压缩器全宽度调节方法如下：

1.光栅姿态调节：

第一步，将自水平激光投线仪的水平方向平面激光投射到光栅上，在光栅面上被反射，调节平面反射光栅的俯仰，使反射光与投线仪出射激光在1米以外距离处重合(距离越远精度越高)，以确保光栅面竖直(即光栅面平行于平面反射光栅的重力方向)。见图5。但这时平面反射光栅的光栅面上的刻线的方向还不能确定。

第二步，将自水平激光投线仪的水平方向平面激光投射到光栅上，在光栅面上被衍射，保持光栅面竖直的同时，旋转光栅面，使衍射光与投线仪出射激光在1米以外距离处重合，以确保光栅刻线竖直(即光栅刻线平行于重力方向)。见图5。

第三步，在光学平台上画一直线，作为待压缩激光的预计入射方向。调节自水平激光投线仪的位置与角度，使该自水平激光投线仪的竖直方向平面激光在光学平台上的投线与所述直线重合。这时，测量该激光被平面光栅反射到光学平台上的投线与所述直线的夹角，其值的一半就是光栅入射角。见图6。

2.光栅平行调节：

以光栅压缩器的第一块光栅为基准，调节配对光栅与基准光栅的精确平行。

第一步，将自水平激光投线仪的竖直方向平面激光投射到基准光栅上，在光栅面上被反射，旋转自水平激光投线仪，使反射光与投线仪出射激光在投线仪上方重合，以确保竖直方向平面激光与基准光栅相垂直。见图7。

第二步，将自水平激光投线仪的竖直方向平面激光投射到配对光栅上，在光栅面上被反射，旋转配对光栅，使反射光与投线仪出射激光在投线仪上方重合，以确保竖直方向平面激光与配对光栅相垂直。

第三步，因为自水平激光投线仪的竖直方向平面激光与基准光栅和配对光栅同时垂直，所以基准光栅和配对光栅互相平行。

3.折返镜调节：

第一步，调节自水平激光投线仪的高度，使自水平激光投线仪的水平方向平面激光投射到折返镜的下平面反射镜上。该激光先被向上反射至折返镜的上平面反射镜，又经该上平面反射镜反射到另一高度水平面内，称为折返光；

第二步，调节第二自水平激光投线仪的高度，使其发射的水平方向平面激光与折返光相接近。如果这两种光相互交叉呈一定夹角，调节上平面反射镜的左右旋转维度。左右旋转优化后，可确保两平面反射镜法线构成的平面与重力方向平行。如果这两种光只能在某个距离上重合，但在其他距离上又分离开来，可调节上平面反射镜的俯仰。俯仰优化后，可确保两平面反射镜互相垂直成直角。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

1)激光在光栅上以线的形式而非点的形式出现，可以对光学元件工作面做出全宽度优化。

2)利用自水平激光投线仪自动维持垂直于重力方向的水平激光面，用于光栅的姿态调节；

3)利用自水平激光投线仪自动维持平行于重力方向的竖直激光面，用于单个光栅的方向确定和两个光栅之间的平行调节。

4)利用自水平激光投线仪以重力方向为基准提供激光，摆脱了在先技术中对光学平台台面精度的依赖，避免了光学平台的负重或应力释放造成的翘曲对光栅调节的影响。

5)为光栅调节提供足够的精度，减少了基准激光的调试工作量，简化了光栅压缩器的调试工作，节省了大量调节时间，降低了对操作人员的能力要求。

6)减少了对辅助工具(如直角棱镜、标准高度尺、小孔等)的使用，使得调节方法更简单，减少了偏差的引入。

附图说明

图1是标准构造光栅压缩器的水平结构示意图

图2是标准构造光栅压缩器的立体结构示意图

图3是简化构造光栅压缩器的立体结构示意图

图4是折返镜的立体结构示意图

图5自水平激光投线仪的水平方向平面激光调节光栅姿态的示意图

图6光栅方向(即入射光角度)精确测量方法的示意图

图7是自水平激光投线仪的竖直方向平面激光调节光栅平行的示意图

具体实施方式

以下结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

将本发明应用于简化构造光栅压缩器。图3是简化构造光栅压缩器的立体结构示意图。由图3可见，本发明需要对光栅1，光栅2，和折返镜3做出调节。

本实施例中，光栅压缩器被设计用于啁啾脉冲放大系统，可实现200TW峰值功率输出。光栅1和光栅2的刻线密度1480线/mm，尺寸都是210×420mm，激光入射角52°。在中心波长800nm衍射方向上，光栅1和光栅2的间距110cm。

本实施例的工作过程如下：

(1)在本实施例中，先根据光栅压缩器设计图在光学平台上画线：入射光的方向，光栅1的位置，光栅2的位置，折返镜5的位置，折返镜5的入射光方向。之后，将各器件固定到相应位置。

(2)折返镜姿态调节

第一步，将自水平激光投线仪10的水平方向平面激光投射到折返镜5的下平面反射镜9上，该激光被反射到上平面反射镜8后将在另一高度水平面内折返；

第二步，调节第二自水平激光投线仪高度，使其发射的水平方向平面激光与折返光相接近：

1)如果这两种光相互交叉呈一定夹角，调节上平面反射镜8的左右旋转维度。左右旋转优化后，可确保两平面反射镜法线构成的平面与重力方向平行。

2)如果两套光只能在某个距离重合，但在其他距离上又分离开来，可调节上平面反射镜8的俯仰。俯仰优化后，可确保两平面反射镜互相垂直成直角。

第三步，将自水平激光投线仪10的竖直方向平面激光在光学平台上的投线与折返镜入射光画线相重合。水平面内旋转折返镜5的角度使折返回的竖线激光与投线仪原激光相重合。可确保折返镜的张角方向正确。

(3)光栅1姿态调节：

第一步，将自水平激光投线仪10的水平方向平面激光投射到光栅1上，在光栅面上被反射，优化光栅的俯仰，使反射光与投线仪原激光在较远处重合。优化后，可确保光栅工作面竖直(即平行于重力方向)。见图5。

第二步，将自水平激光投线仪10的水平方向平面激光投射到光栅1上，在光栅面上被衍射，调节光栅工作面，使其在工作面作旋转直至，衍射光与投线仪原激光在较远处重合。优化后，可确保光栅刻线竖直(即平行于重力方向)。见图5。

第三步，将自水平激光投线仪10的竖直方向平面激光在光学平台上的投线与入射光画线相重合。这时，测量该激光被平面光栅反射到光学平台上的投线与入射光画线的夹角，其值的一半就是光栅入射角。水平面内旋转光栅1到52度入射角对应的角度。见图6。

第四步，重复本节第一步和第二步，优化水平旋转后的光栅姿态。

(4)光栅2姿态调节：

第一步，将自水平激光投线仪10的水平方向平面激光投射到光栅2上，在光栅面上被反射，优化光栅的俯仰，使反射光与投线仪原激光在较远处重合。优化后，可确保光栅工作面竖直(即平行于重力方向)。见图5。

第二步，将自水平激光投线仪10的水平方向平面激光投射到光栅2上，在光栅面上被衍射，调节光栅工作面，使其在工作面作旋转直至，衍射光与投线仪原激光在较远处重合。优化后，可确保光栅刻线竖直(即平行于重力方向)。见图5。

(5)光栅2与光栅1的平行调节

以光栅1为基准，调节光栅2与基准的精确平行。

第一步，将自水平激光投线仪10的竖直方向平面激光投射到光栅1上，在光栅面上被反射，旋转自水平激光投线仪10，使反射光与投线仪原激光在投线仪上方重合。优化后，可确保竖直方向平面激光与光栅1相垂直。见图7。

第二步，将自水平激光投线仪10的竖直方向平面激光投射到光栅2上，在光栅面上被反射。在水平面内旋转光栅2，使反射光与投线仪原激光在投线仪上方重合。优化后，可确保配对激光与竖直方向平面激光相垂直。

第三步，因为自水平激光投线仪的竖直方向平面激光与基准光栅1和配对光栅2同时垂直，所以基准光栅1和配对光栅2互相平行。

第四步，重复(4)的操作，优化水平旋转后的光栅姿态。

自此，光栅压缩器准备完毕，可引入待压缩激光开始进一步脉冲宽度压缩的调试。

Claims (1)

1.一种基于自水平激光投线仪的光栅压缩器全宽度调节方法，其特征在于，该方法包括第一阶段光栅的调节和第二阶段折返镜的调节，具体步骤如下：

第一阶段，光栅的调节：

S1，光栅姿态调节：

第一步，将自水平激光投线仪的水平方向平面激光投射到光栅上，在光栅面上被反射，调节平面反射光栅的俯仰，使反射光与投线仪出射激光在1米以外距离处重合，以确保光栅面竖直；

第二步，将自水平激光投线仪的水平方向平面激光投射到光栅上，在光栅面上被衍射，保持光栅面竖直的同时，旋转光栅面，使衍射光与投线仪出射激光在1米以外距离处重合，以确保光栅刻线竖直；

第三步，在光学平台上画一直线，作为待压缩激光的预计入射方向，调节自水平激光投线仪的位置与角度，使该自水平激光投线仪的竖直方向平面激光在光学平台上的投线与所述直线重合。这时，测量该激光被平面光栅反射到光学平台上的投线与所述直线的夹角，其值的一半就是光栅入射角角度；

S2，光栅平行调节：

第一步，将自水平激光投线仪的竖直方向平面激光投射到基准光栅上，在光栅面上被反射，旋转自水平激光投线仪，使反射光与投线仪出射激光在投线仪上方重合，以确保竖直方向平面激光与基准光栅相垂直；

第二步，将自水平激光投线仪的竖直方向平面激光投射到配对光栅上，在光栅面上被反射，旋转配对光栅，使反射光与投线仪出射激光在投线仪上方重合，以确保竖直方向平面激光与配对光栅相垂直，此时基准光栅和配对光栅互相平行；

第二阶段，折返镜调节：

第一步，调节自水平激光投线仪的高度，使自水平激光投线仪的水平方向平面激光投射到折返镜的下平面反射镜上。该激光先被向上反射至折返镜的上平面反射镜，又经该上平面反射镜反射到另一高度水平面内，称为折返光；

第二步，调节第二自水平激光投线仪的高度，使其发射的水平方向平面激光与折返光相接近。如果这两种光相互交叉呈一定夹角，调节上平面反射镜的左右旋转维度。左右旋转优化后，可确保两平面反射镜法线构成的平面与重力方向平行。如果这两种光只能在某个距离上重合，但在其他距离上又分离开来，可调节上平面反射镜的俯仰。俯仰优化后，可确保两平面反射镜互相垂直成直角。

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