CN111912354B - 一种高功率激光集束远场组合焦斑测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高功率激光集束远场组合焦斑测量方法及系统，旨在目前因集束终端焦斑的形貌和单束终端焦斑的形貌之间存在差异导致物理实验结果偏差的技术问题。本发明的测量系统包括沿光路依次设置的取样反射镜组、准直负透镜组、第一衰减镜组、放大镜组及CCD；取样反射镜组包括沿被测集束焦斑的光路依次设置且中心分别设有通光孔的取样反射镜Ⅱ和取样反射镜Ⅰ；取样反射镜Ⅱ和取样反射镜Ⅰ均为抛物面反射镜，且二者的凹面相对；准直负透镜组用于对取样的光束进行缩束并准直；第一衰减镜组包含至少两个衰减片，每个衰减片的法线与光束之间的夹角为θ，10°＜θ＜20°；放大镜组用于对衰减后的光束进行放大；CCD用于获取放大后光束的图像。

Description

一种高功率激光集束远场组合焦斑测量方法及系统

技术领域

本发明涉及一种焦斑测量方法及系统，具体涉及一种高功率激光集束远场组合焦斑测量方法及系统。

背景技术

在NIF(National Ignition Facility Project)激光装置中包含192束激光，这192束激光分布在一个球体上，通过挂装在球体上的终端光学组件将平行入射的激光会聚到球心位置。为节省球体的空间，NIF激光装置将终端光学组件设计为2×2形式共4束排布的集束终端，每个集束终端作为一个整体，由于集束终端中各路光学元件是相互独立的，光束在空间上也是独立传播的。集束终端将光束会聚到球心位置后，球心位置的光斑为4束激光的组合光斑。NIF激光装置并未对组合焦斑进行测量，而是默认为其各束激光的一致性满足要求，只对单束的球心位置焦斑进行测量。

实际上集束终端焦斑的形貌和单束终端焦斑的形貌是存在差异的，为了验证集束终端的焦斑形貌，就需要对集束组合焦斑进行测量，以便为物理实验提供准确的依据。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中存在因集束终端焦斑的形貌和单束终端焦斑的形貌之间存在差异导致物理实验结果存在偏差的技术问题，而提供一种高功率激光集束远场组合焦斑测量方法及系统。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种高功率激光集束远场组合焦斑测量方法，采用一种高功率激光集束远场组合焦斑测量系统实现，该系统包括沿光路依次设置的取样反射镜组、准直负透镜组、第一衰减镜组、放大镜组以及CCD；

所述取样反射镜组包括沿被测集束焦斑的光路依次设置且中心分别设有通光孔的取样反射镜Ⅱ和取样反射镜Ⅰ；所述取样反射镜Ⅱ和取样反射镜Ⅰ均为抛物面反射镜，且二者的凹面相对；

所述准直负透镜组用于对取样的光束进行缩束并准直；

所述第一衰减镜组包含至少两个衰减片，每个衰减片的法线与光束之间的夹角为θ，10°＜θ＜20°；

所述放大镜组用于对衰减后的光束进行放大；

所述CCD用于获取放大后光束的图像；

其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1)对被测集束焦斑的光束进行同波面的无畸变取样并汇聚；

步骤2)对取样并汇聚后的光束进行缩束并准直；

步骤3)对缩束并准直后的光束进行衰减；

步骤4)对衰减后的光束进行放大；

步骤5)对放大后的光束进行成像，获取被测集束焦斑的图像。

进一步地，步骤1)还包括对取样时的剩余反射光进行吸收。

进一步地，步骤3)还包括对衰减时的剩余反射光进行吸收。

进一步地，还包括位于步骤4)之后、步骤5)之间的步骤：

通过轮盘衰减片和固定衰减片依次对放大后的光束进行二次衰减。

进一步地，所述被测集束焦斑为n束平行光入射到n个会聚物镜上，在会聚物镜的焦点位置形成的组合焦斑，n≥2。

基于上述一种高功率激光集束远场组合焦斑测量方法，本发明还提供了一种高功率激光集束远场组合焦斑测量系统，其特殊之处在于：包括沿光路依次设置的取样反射镜组、准直负透镜组、第一衰减镜组、放大镜组以及CCD；

所述取样反射镜组包括沿被测集束焦斑的光路依次设置且中心分别设有通光孔的取样反射镜Ⅱ和取样反射镜Ⅰ；所述取样反射镜Ⅱ和取样反射镜Ⅰ均为抛物面反射镜，且二者的凹面相对；

所述准直负透镜组用于对取样的光束进行缩束并准直；

所述第一衰减镜组包含至少两个衰减片，每个衰减片的法线与光束之间的夹角为θ，10°＜θ＜20°；

所述放大镜组用于对衰减后的光束进行放大；

所述CCD用于获取放大后光束的图像。

进一步地，还包括位于放大镜组与CCD之间的第二衰减镜组；

所述第二衰减镜组包括沿光路依次设置的轮盘衰减片和固定衰减片；

所述轮盘衰减片和固定衰减片间呈八字型放置。

进一步地，还包括多个吸收片；

其中一部分吸收片分别位于取样反射镜Ⅱ和取样反射镜Ⅰ的凸面一侧，用于吸收取样反射镜Ⅱ和取样反射镜Ⅰ进行取样时的剩余反射光；另一部分吸收片分别位于各个衰减片的反射光路上，用于吸收第一衰减镜组进行衰减时的剩余反射光。

进一步地，所述取样反射镜Ⅱ和取样反射镜Ⅰ的凹面无镀膜，凸面镀增透膜。

进一步地，所述第一衰减镜组的衰减片分别设置于一维平移台上，相邻两个衰减片间平行放置或呈八字型放置；所述一维平移台用于相应衰减片的切入、切出；

所述CCD为16位制冷式科学级CCD。

本发明的有益效果是：

1、本发明能够实现对组合焦斑在时间和空间上的无畸变测量，减小集束终端焦斑形貌和单束终端焦斑形貌之间存在的差异，减小物理实验结果的在偏差。

2、本发明能够保证n束光的在测量系统中任意位置的波面一致性，避免了n束光之间的波面不同而导致的焦斑形貌测量畸变。

3、本发明能够保证n束光从物点组合焦斑到放大成像后的像点组合焦斑时间同步性，避免n束光在时间上达到像面的差异。

4、本发明的测量系统对任意一束光在传播成像中的空间一致性，通过测量系统的透射波前PV(透射波前的峰谷值)来评价。

附图说明

图1是本发明一种高功率激光集束远场组合焦斑测量系统实施例的结构示意图；

图2是集束输入光束(n＝4)形成本发明图1实施例中被测集束焦斑的示意图；

图3是本发明实施例中的4束光在取样反射镜Ⅰ上的分布图；

图4是本发明实施例中的被测集束焦斑成像波前图。

图中各标号的说明如下：

1-取样反射镜组，11-取样反射镜Ⅰ，12-取样反射镜Ⅱ，2-准直负透镜组，3-第一衰减镜组，31-衰减片，4-放大镜组，5-CCD，6-第二衰减镜组，61-轮盘衰减片，62-固定衰减片，7-吸收片,8-被测集束焦斑。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种高功率激光集束远场组合焦斑测量方法及系统作进一步详细说明。根据下面具体实施方式，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是：附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的；其次，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。

本发明一种高功率激光集束远场组合焦斑测量系统，如图1所示，包括沿光路依次设置的取样反射镜组1、准直负透镜组2、第一衰减镜组3、放大镜组4、第二衰减镜组6以及CCD5；

取样反射镜组1包括沿被测集束焦斑的光路依次设置且中心分别设有通光孔的取样反射镜Ⅱ12和取样反射镜Ⅰ11；取样反射镜Ⅱ12和取样反射镜Ⅰ11均为抛物面反射镜，且二者的凹面相对；取样反射镜Ⅱ12和取样反射镜Ⅰ11的凹面无镀膜，凸面镀增透膜。

准直负透镜组2用于对取样的光束进行缩束并准直；

第一衰减镜组3包含三个衰减片31，每个衰减片31的法线与光束之间的夹角为θ，10°＜θ＜20°；并且每个衰减片31分别设置于一维平移台上，相邻两个衰减片31间呈八字型放置；一维平移台用于相应衰减片31的切入、切出；

放大镜组4用于对衰减后的光束进行放大；

第二衰减镜组6包括沿光路依次设置的轮盘衰减片61和固定衰减片62；轮盘衰减片61和固定衰减片62间平行放置或呈八字型放置。

CCD5用于获取放大后光束的图像，该CCD5为16位制冷式科学级CCD。

优选的，为了降低信噪比，该系统还包括多个吸收片7；

其中一部分吸收片7分别位于取样反射镜Ⅱ12和取样反射镜Ⅰ11的凸面一侧，用于吸收取样反射镜Ⅱ12和取样反射镜Ⅰ11进行取样时的剩余反射光；另一部分吸收片7分别位于各个衰减片31的反射光路上，用于吸收第一衰减镜组3进行衰减时的剩余反射光。

本发明一种高功率激光集束远场组合焦斑测量系统的工作工作过程如下：

本发明的测量系统可以完成对高功率激光远场集束(光束数量n≥2)组合焦斑的测量。为便于说明，如图2所示，以集束光束n＝4为例进行说明。n束平行光入射到n个会聚物镜上，在会聚物镜的焦点位置形成组合焦斑，即被测集束焦斑8，为保证该测量系统自身的精度，测量系统需要将被测集束焦斑8进行同波面的无畸变取样、准直、衰减及放大，然后成像到CCD上。物点组合焦斑放置于真空状态下，以避免被测集束焦斑8产生空气击穿。

几个组成部分采用整体取样、准直、衰减、放大、成像的技术路线，被测集束焦斑8的各光束在测量传输的过程中符合光束的独立传播原理，各光束在整体光学元件上占有部分通光口径，如图3所示。

取样反射镜Ⅰ11和取样反射镜Ⅱ12为中心设有通光孔的抛物面反射镜，并且取样反射镜Ⅰ11、取样反射镜Ⅱ12凹面不镀膜以便对入射的高功率激光束进行小份额反射取样衰减，反射取样率(约4％)符合菲涅耳反射计算公式。取样反射镜Ⅰ11和取样反射镜Ⅱ12的凸面镀制增透膜，透过率≥99.8％，以便使第一面取样反射后剩余的激光透过对应的取样反射镜Ⅰ1、取样反射镜Ⅱ2后进行统一吸收。

入射的高功率激光通过取样反射镜Ⅰ11和取样反射镜Ⅱ12各自约4％的反射取样后，迅速降低了入射激光的能量，并降低了后续光学元件的激光通量，保护后续光学元件免受损伤。

物点组合焦斑发出的n束光穿过取样反射镜Ⅱ12的通光孔后入射到取样反射镜Ⅰ11，取样反射镜Ⅰ11将入射光束准直为n束平行光后反射取样到取样反射镜Ⅱ12，取样反射镜Ⅱ12将入射的平行光会聚后穿过取样反射镜Ⅰ11的通光孔，经过准直负透镜组2缩束并准直为n束小口径的平行光束向后传播。为避免取样反射镜Ⅱ12的会聚点产生空气击穿，在会聚点前通过准直负透镜组2进行缩束，缩束倍率与取样反射镜Ⅱ12的焦距f2与准直负透镜组2的焦距f3之比f2/f3相关。

n束小口径的平行光束经过第一衰减镜组3、放大镜组4、轮盘衰减片61和固定衰减片62后成像到CCD 5上，CCD 5为16位制冷式科学级CCD。

第一衰减镜组3完成了高功率激光的二次衰减，第一衰减镜组3中可以有m(m≥2)件衰减片31，各衰减片31的法线与光束间的夹角为θ(10°＜θ＜20°)，选择此角度范围主要是考虑到衰减片31的剩余反射激光可以摆出被光路进行吸收管理，避免杂散光进入该系统影响图像的信噪比，各衰减片31相互平行放置或者呈八字形对称放置。衰减片31可以相互组合使用一维平移台切入、切出光路完成激光的动态衰减，衰减片31低透射切入光路后完成对高功率激光的衰减，低透射切出光路后完成测量系统和组合焦斑产生光路的准直对接。

放大镜组4完成对被测集束焦斑8的进一步放大，被测集束焦斑8的整体放大倍率根据CCD的靶面确定。

轮盘衰减片61可以电动转动切换，以匹配不同激光能量范围组合焦斑的测量，固定衰减片62用来匹配CCD 5的最佳响应范围，轮盘衰减片61和固定衰减片62呈八字形对称放置在光路中，同样的，轮盘衰减片61中的衰减片和固定衰减片62的法线与光路间的夹角分别为θ(10°＜θ＜20°)放置于光路中。

集束组合焦斑的空间一致性可以通过各束焦斑成像光路的波前来评价，波前(n＝4)如图4所示，从图中可以看出各束的形貌是相同的。

从靶点位置起算n束光到达焦斑测量CCD上的时间可计算为：

其中：L——光在各介质中所走过的几何路程；

v——光在各介质中的速度，V＝c/N；

c——光速；

N——各介质折射率；

Nili——光程；

根据费马原理，物象共轭点传播的光程是相等的，由此可以得出靶点到像点传播的时间是相等的。

Claims (10)

1.一种高功率激光集束远场组合焦斑测量方法，采用一种高功率激光集束远场组合焦斑测量系统实现，该系统包括沿光路依次设置的取样反射镜组(1)、准直负透镜组(2)、第一衰减镜组(3)、放大镜组(4)以及CCD(5)；

所述取样反射镜组(1)包括沿被测集束焦斑的光路依次设置且中心分别设有通光孔的取样反射镜Ⅱ(12)和取样反射镜Ⅰ(11)；所述取样反射镜Ⅱ(12)和取样反射镜Ⅰ(11)均为抛物面反射镜，且二者的凹面相对；

所述准直负透镜组(2)用于对取样的光束进行缩束并准直；

所述第一衰减镜组(3)包含至少两个衰减片(31)，每个衰减片(31)的法线与光束之间的夹角为θ，10°＜θ＜20°；

所述放大镜组(4)用于对衰减后的光束进行放大；

所述CCD(5)用于获取放大后光束的图像；

其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)对被测集束焦斑的光束进行同波面的无畸变取样并汇聚；

步骤2)对取样并汇聚后的光束进行缩束并准直；

步骤3)对缩束并准直后的光束进行衰减；

步骤4)对衰减后的光束进行放大；

步骤5)对放大后的光束进行成像，获取被测集束焦斑的图像。

2.根据权利要求1所述的一种高功率激光集束远场组合焦斑测量方法，其特征在于：步骤1)还包括对取样时的剩余反射光进行吸收。

3.根据权利要求1或2所述的一种高功率激光集束远场组合焦斑测量方法，其特征在于，步骤3)还包括对衰减时的剩余反射光进行吸收。

4.根据权利要求3所述的一种高功率激光集束远场组合焦斑测量方法，其特征在于，还包括位于步骤4)之后、步骤5)之间的步骤：

通过轮盘衰减片和固定衰减片依次对放大后的光束进行二次衰减。

5.根据权利要求1所述的一种高功率激光集束远场组合焦斑测量方法，其特征在于，所述被测集束焦斑为n束平行光入射到n个会聚物镜上，在会聚物镜的焦点位置形成的组合焦斑，n≥2。

6.一种高功率激光集束远场组合焦斑测量系统，基于实现权利要求1所述的一种高功率激光集束远场组合焦斑测量方法，其特征在于：包括沿光路依次设置的取样反射镜组(1)、准直负透镜组(2)、第一衰减镜组(3)、放大镜组(4)以及CCD(5)；

所述取样反射镜组(1)包括沿被测集束焦斑的光路依次设置且中心分别设有通光孔的取样反射镜Ⅱ(12)和取样反射镜Ⅰ(11)；所述取样反射镜Ⅱ(12)和取样反射镜Ⅰ(11)均为抛物面反射镜，且二者的凹面相对；

所述准直负透镜组(2)用于对取样的光束进行缩束并准直；

所述第一衰减镜组(3)包含至少两个衰减片(31)，每个衰减片(31)的法线与光束之间的夹角为θ，10°＜θ＜20°；

所述放大镜组(4)用于对衰减后的光束进行放大；

所述CCD(5)用于获取放大后光束的图像。

7.根据权利要求6所述的一种高功率激光集束远场组合焦斑测量系统，其特征在于：还包括位于放大镜组(4)与CCD(5)之间的第二衰减镜组(6)；

所述第二衰减镜组(6)包括沿光路依次设置的轮盘衰减片(61)和固定衰减片(62)；

所述轮盘衰减片(61)和固定衰减片(62)间呈八字型放置。

8.根据权利要求6或7所述的一种高功率激光集束远场组合焦斑测量系统，其特征在于：还包括多个吸收片(7)；

其中一部分吸收片(7)分别位于取样反射镜Ⅱ(12)和取样反射镜Ⅰ(11)的凸面一侧，用于吸收取样反射镜Ⅱ(12)和取样反射镜Ⅰ(11)进行取样时的剩余反射光；另一部分吸收片(7)分别位于各个衰减片(31)的反射光路上，用于吸收第一衰减镜组(3)进行衰减时的剩余反射光。

9.根据权利要求8所述的一种高功率激光集束远场组合焦斑测量系统，其特征在于：

所述取样反射镜Ⅱ(12)和取样反射镜Ⅰ(11)的凹面无镀膜，凸面镀增透膜。

10.根据权利要求9所述的一种高功率激光集束远场组合焦斑测量系统，其特征在于：所述第一衰减镜组(3)的衰减片(31)分别设置于一维平移台上，相邻两个衰减片(31)间平行放置或呈八字型放置；所述一维平移台用于相应衰减片(31)的切入、切出；

所述CCD(5)为16位制冷式科学级CCD。

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