CN112130319B - 一种超高通量激光光束陷阱及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高通量激光光束陷阱及其制作方法，属于激光技术领域，由高阈值吸收玻璃（1）、低阈值吸收玻璃（2）和装配结构（3）组成，其中，所述高阈值吸收玻璃（1）为两块，所述低阈值吸收玻璃（2）为至少一块；本发明既能满足超高通量激光的有效吸收，又能够避免加工缺陷造成的激光损伤阈值降低，提高了光束陷阱的工作寿命，实现了超高通量激光的安全有效截止，可满足目前任何高通量激光的安全有效截止需求；本发明结构简单，加工工艺成熟，具有很好的可实现性。

Description

一种超高通量激光光束陷阱及其制作方法

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种超高通量激光光束陷阱及其制作方法。

背景技术

在巨型激光装置建造和运行的过程中，需要对具有超高通量的主激光进行截止。例如：在激光装置的建造过程中，对装置的调试需要在光路的某些位置对主激光进行大能量截止；在激光装置的运行过程中，激光频率转换后的剩余激光通常具有整个装置输出的一半能量，同时由于建造空间、成本等因素的限制，这些未转换光通常需要在较近的位置进行管控，因此其通量甚至远超主激光在光路中的通量。

与此同时，在巨型激光装置中，部分需要截止的光束不仅能量、通量很高，同时其光束口径也很大，甚至可达到数百毫米，光束口径的增大势必需要更大口径的光束陷阱，光束陷阱的体积和重量的增加带来了巨型激光装置建设难度的提高，因此大口径光束陷阱通常有着体积和重量的限制，以保证其不会对装置其他部分带来影响并具有安装可实现性。

随着巨型激光装置规模和能量的大幅提高，激光通量也在不断攀升，对于超高通量激光的截止成为了巨型激光装置设计、建造的重要问题，而超高通量激光光束陷阱的设计和制备自然成为了亟待解决的关键难题。

发明内容

本发明的目的之一，就在于提供一种超高通量激光光束陷阱，以解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种超高通量激光光束陷阱，由第一吸收玻璃、第二吸收玻璃和装配结构组成；其中，所述装配结构为方形腔体结构，由一个底面、四个侧面组成，另一个底面为光速入口，所述第一吸收玻璃为两块，两块所述第一吸收玻璃分别与所述装配结构的两个相对的侧面固定连接，且两块所述第一吸收玻璃相连成20°-90°角，所述第二吸收玻璃为至少一块；所述第二吸收玻璃覆盖所述装配结构内部。

作为优选的技术方案：其中一块所述第一吸收玻璃具有一钝角。

作为进一步优选的技术方案：将所述钝角做倒圆角处理。

作为优选的技术方案：所述装配结构为金属装配结构。

作为优选的技术方案，所述第一吸收玻璃为高阈值吸收玻璃，所述第二吸收玻璃为低阈值吸收玻璃。

上述结构中，优选的低阈值吸收玻璃至少一块，即至少有一块低阈值吸收玻璃用于覆盖装配结构的底面内侧，本发明中的结构为了保证光束经过高阈值吸收玻璃折射后不直接照射装配结构侧面，将光束可能照射到的装配结构用低阈值吸收玻璃覆盖，因而最好有三块低阈值吸收玻璃，即分别覆盖装配结构的底面和除了高阈值吸收玻璃连接的另外两个侧面，即根据实际情况可将结构件内部其余部分用低阈值吸收玻璃覆盖，在本发明的结构中低阈值吸收玻璃至多可采用九块；

两块高阈值吸收玻璃可以通过装配结构的开槽与装配结构相连接并保证两块高阈值吸收玻璃的角度关系（当然也可以采用其他的固定方式）；低阈值吸收玻璃用于覆盖装配结构内部，通常亦采用开槽的方式固定在装配结构上。

上述的装配结构可以是多块板材装配起来的，但可看做一个整体，或者一体成型，优选为一长方体腔，具有1底面、4侧面，另1底面为光束入口，高阈值吸收玻璃通过两个侧面装配结构的斜向槽进行固定，低阈值吸收玻璃覆盖装配结构内部的表面

本领域技术人员知晓的，通量的高低难以具体定义，通常是与某一通量值对比，例如在本发明中，对于ZWB2（即310nm的透紫外线黑色玻璃）、ZAB50等常见的吸收玻璃，对于波长在1μm左右的激光，其垂直表面入射的激光损伤阈值通常不超过2J/cm²（经验值，不是测试值），用这类吸收玻璃制备对比例中的光束陷阱时，对通量超过2J/cm²的激光的吸收过程中就会发生损伤。

本发明中的“通量”主要是基于抗损伤能力，而同样的材料对不同波长的激光的抗损伤能力也完全不同。可粗略认为，对波长1μm左右的激光，通量大幅超过2J/cm²即是本发明中所述的“超高通量激光”，例如超过20J/cm²。

本发明所述的高阈值吸收玻璃是具有相对较高的激光损伤阈值和相对较低的光吸收系数的吸收玻璃；且优选其中一块具有一钝角迎接激光，将该钝角做倒圆处理，避免加工缺陷造成该位置激光损伤阈值的降低，高阈值吸收玻璃的主要作用是接收高通量入射光并将其衰减到低阈值吸收玻璃可承受的水平；

所述的低阈值吸收玻璃具有相对较低的激光损伤阈值和相对较高的光吸收系数，低阈值吸收玻璃的主要作用是将经过高阈值吸收玻璃衰减的激光大幅吸收衰减，实现光束的截止；

其中，“相对较高的激光损伤阈值”是指激光损失阈值大于10J/cm²；

可以采用目前可市购的高阈值吸收玻璃例如JC-FH-03，其1μm激光损伤阈值约为20J/cm²，CDG01，其1μm激光损伤阈值超过10J/cm²；

“相对较低的激光损伤阈值” 是指激光损失阈值小于2J/cm²；

可以采用目前可市购的低阈值吸收玻璃例如ZWB2，AB5等，其1μm左右的激光损伤阈值不超过2J/cm²。

所述的高阈值吸收玻璃和低阈值吸收玻璃的各项几何参数，包括厚度、夹角等根据入射激光通量、激光经过光束陷阱后反射的光通量/能量要求、高阈值吸收玻璃的激光损伤阈值和光吸收系数、低阈值吸收玻璃的激光损伤阈值和光吸收系数、金属装配结构的激光损伤阈值优化设计得出，两种吸收玻璃的搭配使用结合高阈值吸收玻璃局部倒圆设计实现了在不大幅增加光束陷阱尺寸、体积、重量的情况下，在保证足够吸收能力的同时极大提高了光束陷阱的抗激光损伤性能。

本发明的目的之二，在于提供一种上述超高通量激光光束陷阱的制作方法，采用的技术方案为，包括以下步骤：

（1）．根据入射激光通量、激光波长、光束陷阱尺寸要求选取合适的第一吸收玻璃，确定两块第一吸收玻璃的夹角，根据加工水平确定倒角的最佳曲率半径以获得该处最好的抗激光损伤性能；

（2）.选取合适的第二吸收玻璃，根据第二吸收玻璃的激光损伤阈值确定两块第一吸收玻璃的厚度，根据激光经过第一吸收玻璃后入射到第二吸收玻璃的激光通量、金属装配结构的激光损伤阈值和光束陷阱尺寸要求确定第二吸收玻璃的厚度；

（3）.选取合适的金属材料设计装配结构，优选的是具有较高激光损伤阈值的经过特殊表面处理的金属，比如可以采用经过本色阳极化（表面处理）的5A06铝合金，作为装配结构的材料，所述金属装配结构仅留存激光入射通道，其他方向完全封闭；

（4）.上述步骤可根据光束陷阱设计中的关键限制因素进行适当调整，寻求最佳优化设计步骤，并迭代优化获得较好的设计结果；

（5）.根据设计结果制备符合要求的第一吸收玻璃、第二吸收玻璃、金属装配结构，其中，优选的是，吸收玻璃采用高精度光学元件的制备方法进行制备，可以进一步保障其激光损伤阈值和光束陷阱内部激光分布的可控；

（6）.将第一吸收玻璃、第二吸收玻璃、金属装配结构装配成为光束陷阱，优选的是，在装配前对各部件进行无损清洗，去除其污染物，保证其装配、运输和工作环境具有较高的洁净度。

需要说明的是，对于任何吸收玻璃甚至光学元件，其激光损伤阈值与其加工水平密切相关，对于同样的光学材料，更高的加工水平意味着更好的抗激光损伤性能，本发明所述的采用高精度光学元件的制备方法对吸收玻璃进行制备并不意味着加工成本的增加，而是追求更好的抗激光损伤性能，在同样的加工水平和同样的材料情况下，采用本发明的光束陷阱同样可以获得更高的抗激光损伤性能。

另外，对于某一确定的应用场景，光束口径是必须保证的，光束陷阱的有效口径必须超过光束口径，因而光束口径无法改变，可改变的是光束陷阱的有效口径，而光束陷阱的有效口径当然是越大越好，但在实际应用中通常是保证有效口径超过光束口径并留有足够的余量来应对光束方向的误差，同时光束陷阱的尺寸会收到其他多方面的影响，采用本发明的方法，光束陷阱的有效口径均保证超过光束口径。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本方法有效的解决了巨型激光装置高通量激光的截止难题：既能满足超高通量激光的有效吸收，又能够避免加工缺陷造成的激光损伤阈值降低，提高了光束陷阱的工作寿命，实现了超高通量激光的安全有效截止；

2、本发明可满足目前任何高通量激光的安全有效截止需求；

3、本发明结构简单，加工工艺成熟，具有很好的可实现性。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明对比例的结构示意图；

图3为本发明对比例的局部光强分布图；

图4为本发明实施例1的局部光强分布图；

图中：1、高阈值吸收玻璃；2、低阈值吸收玻璃；3、装配结构；4、普通吸收玻璃；r、倒圆角的曲率半径。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：

参见图1，一种超高通量激光光束陷阱，由高阈值吸收玻璃1、低阈值吸收玻璃2和金属装配结构3组成，其中，所述高阈值吸收玻璃1为两块，其中一块所述高阈值吸收玻璃1具有一钝角迎光结构，并将所述钝角做倒圆角处理，所述低阈值吸收玻璃2为三块；

本实施例中，所述高阈值吸收玻璃1的厚度为20mm，激光损伤阈值为20J/cm²，低阈值吸收玻璃2厚度为5mm，激光损伤阈值为2J/cm²，两块高阈值吸收玻璃2的夹角为40°，钝角角度140°，倒圆角的曲率半径r=1mm，第一迎光面与激光夹角20°，此时最大光强为入射光强的2.08倍，局部光强分布如图4所示，但最大光强位于吸收玻璃外部，不会造成吸收玻璃损伤，吸收玻璃内部的最强光强与入射光强基本相同，相比于下述的对比例，不考虑下述对比例中加工缺陷的影响，光束陷阱的激光损伤阈值提升超过60倍，光束陷阱可承受的激光通量超过30J/cm²，考虑下述对比例中加工缺陷的影响时，本实施例的激光损伤阈值的提升将更加明显。

对比例

目前大口径光束陷阱的实现方式，如图2所示，由金属结构件3和普通吸收玻璃4组成，其中，所述普通吸收玻璃4采用多片倾斜的吸收玻璃周期性排列，锐角角度10°，第一迎光面与激光夹角20°，普通吸收玻璃的激光损伤阈值为2J/cm²，此时普通吸收玻璃4内部的最大光强为入射光强的6.52倍，同时在激光装置建设和运行的过程中发现，迎光锐角结构通常不是理想的锐利结构，存在宽度约0.1mm的平面，可能导致激光直接返回原光路，导致上游光学元件损伤，并且锐角位置存在明显的加工缺陷，导致其激光损伤阈值远低于吸收玻璃的平面位置，其局部光强分布图如图3所示，光束陷阱可承受的激光损伤阈值不超过1J/cm²。

实施例2：

采用与实施例1相同的结构形式，将高阈值吸收玻璃1替换为低阈值吸收玻璃2，即所有吸收玻璃与对比例相同，吸收玻璃激光损伤阈值为2J/cm²，此时最大光强为入射光强的2.08倍，但最大光强位于吸收玻璃外部，不会造成吸收玻璃损伤，吸收玻璃内部的最强光强与入射光强基本相同，相比于上述的对比例，不考虑上述对比例中加工缺陷的影响，光束陷阱的激光损伤阈值提升超过6倍，光束陷阱可承受的激光损伤阈值超过5J/cm²，考虑上述对比例中加工缺陷的影响时，本实施例的激光损伤阈值的提升将更加明显。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种超高通量激光光束陷阱，其特征在于：由高阈值吸收玻璃（1）、低阈值吸收玻璃（2）和装配结构（3）组成，所述装配结构（3）为方形腔体结构，由一个底面、四个侧面组成，另一个底面为光束入口，所述高阈值吸收玻璃（1）为两块，其中一块所述高阈值吸收玻璃（1）具有一钝角，两块所述高阈值吸收玻璃（1）分别与所述装配结构的两个相对的侧面固定连接，且两块所述高阈值吸收玻璃（1）相连成20°-90°角，所述低阈值吸收玻璃（2）为至少一块；所述低阈值吸收玻璃（2）覆盖所述装配结构（3）内部。

2.根据权利要求1所述的超高通量激光光束陷阱，其特征在于：将所述钝角做倒圆角处理。

3.根据权利要求1所述的超高通量激光光束陷阱，其特征在于：所述装配结构（3）为金属装配结构。

4.权利要求1-3任意一项所述的超高通量激光光束陷阱的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）．根据入射激光通量、激光波长、光束陷阱尺寸要求选取合适的高阈值吸收玻璃（1），确定两块高阈值吸收玻璃（1）的夹角，根据加工水平确定倒圆角的最佳曲率半径；

（2）．选取合适的低阈值吸收玻璃（2），根据低阈值吸收玻璃（2）的激光损伤阈值确定两块高阈值吸收玻璃（1）的厚度，根据激光经过高阈值吸收玻璃（1）后入射到低阈值吸收玻璃（2）的激光通量、金属装配结构（3）的激光损伤阈值和光束陷阱尺寸要求确定低阈值吸收玻璃（2）的厚度；

（3）．选取合适的金属材料设计装配结构（3），所述金属装配结构（3）仅留存激光入射通道，其他方向完全封闭；

（4）．根据设计结果制备符合要求的高阈值吸收玻璃（1）、低阈值吸收玻璃（2）、金属装配结构（3）；

（5）．将高阈值吸收玻璃（1）、低阈值吸收玻璃（2）、金属装配结构（3）装配得到光束陷阱。

5.根据权利要求4所述的超高通量激光光束陷阱的制作方法，其特征在于：步骤（3）中，选取具有较高激光损伤阈值的经过表面处理的金属作为装配结构的材料。

6.根据权利要求4所述的超高通量激光光束陷阱的制作方法，其特征在于：步骤（4）中，吸收玻璃采用高精度光学元件的制备方法进行制备。

7.根据权利要求4所述的超高通量激光光束陷阱的制作方法，其特征在于：步骤（6）中，在装配前对各部件进行无损清洗，去除其污染物，保证其装配、运输和工作环境具有较高的洁净度。

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