CN112207428A - 实现与定向束线360°位型相互作用的激光聚焦调节系统 - Google Patents

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Abstract

一种实现与定向束线360°位型相互作用的激光聚焦调节系统，包括聚焦光路、焦斑探测对准系统和真空腔体。本发明中激光初始自上而下竖直传播，光轴为s，定向束线沿水平方向传播，中心轴线为t，轴线s与t相交于点O(固定的激光焦斑位置)。本发明利用平面反射镜(反射角为M，45°<M<90°)将激光折向侧下方，后经离轴抛物面镜(离轴角为N，N＝2M‑90°)沿水平方向反射并在焦斑探测对准系统的辅助下于点O处聚焦。平面反射镜与离轴抛物面镜稳定支撑在立体宝塔平台上。通过将平面反射镜与离轴抛物面镜沿着轴线s同步进行旋转，实现激光与定向束线在点O处360度位型相互作用。本发明具有光路简单、成本低、操作灵活等特点。

Description

实现与定向束线360°位型相互作用的激光聚焦调节系统
技术领域
本发明涉及相对论激光与等离子体相互作用领域，具体来讲，是完成激光聚焦并实现与另一定向束线360°位型相互作用的装置。
背景技术
近年来，随着激光技术的蓬勃发展，尤其是啁啾脉冲放大技术的发明，实验室已经能够获得聚焦强度超过1022W/cm2、单脉冲宽度小于10fs的相对论强度激光脉冲，如此强的激光可将物质迅速电离形成等离子体，激光与物质相互作用进入强相对论非线性光学领域。通过激光等离子体相互作用，可以获得高品质(高能量、高流强、低能散、高准直)的电子源、离子源和X/gamma射线源，此类粒子源在生物医疗、化学材料、高能物理与核物理等领域有着重要应用。目前实验上已经可以获得近8GeV的高能电子束、近百MeV的质子束以及各类高品质射线源。相比于传统加速器，基于激光等离子体相互作用的加速器具有加速梯度高、无破坏阈值、占地面积小，成本低等优势，是未来加速器发展的研究热点。目前，全世界已有多套拍瓦(PW，1015W)激光装置在稳定运行开展物理实验，同时多套10PW激光装置也在相继建成。需要特别注意的是，在最近立项建设的上海硬X射线自由电子激光装置(SHINE)项目中除了搭建多条高性能XFEL束线外，其中的极端光物理线站(SEL)还将搭建一套100PW飞秒激光装置。结合这两个目前世界上最强的光源，可以创造前所未有的极端物理条件，从而将光与物质相互作用推进到强场量子电动力学(Quantum Electrodynamics,QED)区域。
在结合100PW激光与XFEL进行前沿物理的实验研究时，通常需要多种相互作用位型。最常见的是泵浦-探测位型，即100PW激光与靶材相互作用，而XFEL由激光光轴的侧向入射并对相互作用区域进行探测。而在开展如真空双折射等真空QED效应的实验研究时，则需要100PW与XFEL同向传播或对撞这一作用位型。这里需要注意的是，由于产生机制与传播路径的影响，XFEL的方向在引入物理实验区域时可以认为是固定的，这就要求100PW激光的聚焦光路可以灵活调节，从而满足与XFEL进行360°位型相互作用的需求。这里由于受到材料破坏阈值的限制，100PW激光的光束口径已经达到1000mm量级，所需的光学镜片加工难度大价格高昂。与此同时，激光的传播路径与整个相互作用区域都需保持洁净的真空环境。如果基于一般方法搭建激光的聚焦调节光路，不仅需要面临加工较多数量的超大尺寸光学镜片与超大尺寸真空腔体带来的成本问题，还将面临难以灵活调整光路来实现与定向束线多种位型相互作用的实验需求的难题。因此搭建简单灵活的激光聚焦调节系统，解决利用较少数量的光学镜片在较小真空环境区域内实现激光(如100PW激光)与定向束线(如XFEL)360°位型相互作用的问题是非常有意义的。
发明内容
本发明的主要目的是为了克服现有技术的不足，提供一种实现与定向束线360°位型相互作用的激光聚焦调节系统。该系统兼具实用性与灵活性，具有操作简捷、稳定性高、成本低等特点。
本发明的技术解决方案如下：
一种实现与定向束线360°位型相互作用的激光聚焦调节系统，其特点在于，包括真空腔体和位于该真空腔体内的聚焦光路与焦斑探测对准系统；
所述的聚焦光路包括立体宝塔平台、及固定在该立体宝塔平台上的平面反射镜和离轴抛物面镜，所述的焦斑探测对准系统包括电动平移台、及放置在该电动平移台上的闪烁晶体、成像光路和CCD；
定向束线沿着水平光轴t进入所述的真空腔体，激光光束沿光轴s自上而下竖直进入所述的真空腔体，且光轴s与所述的水平光轴t的交点为固定焦斑位置；所述的激光光束进入所述的真空腔体经过所述的平面反射镜反射后，入射到所述的离轴抛物面镜，经该离轴抛物面镜聚焦于所述的固定焦斑位置；所述的闪烁晶体位于所述的固定焦斑位置，所述的定向束线射入所述的闪烁晶体后产生荧光，并与所述的激光光束在固定焦斑位置汇聚后，经所述的成像光路在所述的CCD上成像。
所述的激光光束为飞秒或皮秒激光，激光打靶时可以达到相对论强度。
所述的定向束线为自由电子激光(XFEL)、伽马射线、高能电子束或高能离子束，传播方向固定。
所述的激光光束自上而下竖直传播经过所述的平面反射镜折向侧下方，并由所述的离轴抛物面镜完成聚焦，所述的平面反射镜的反射角M满足45°<M<90°，所述的离轴抛物面镜的离轴角N满足N＝2M-90°，焦距满足激光聚焦到固定焦斑位置。
所述的立体宝塔平台包括上层环形平台、中间悬挂架和下层环形平台，所述的平面反射镜放置于所述的中间悬挂架内并整体悬挂于所述的上层环形平台上，所述的中间悬挂架载着所述的平面反射镜可以绕着光轴s做圆周自转；所述的离轴抛物面镜放置于所述的下层环形平台上，并可以沿着固定轨道绕着光轴s做圆周公转。
所述的平面反射镜的自转与离轴抛物面镜的公转需同步进行，保证激光光束的焦斑一直保持在固定焦斑位置，从而实现与所述的定向束线的360°位型相互作用。
所述的立体宝塔平台通过焊接波纹管支撑，且位于真空腔体内部。
所述的焦斑探测对准系统整体放置在中间悬挂架下部的小平台上可以随电动平移台进行移动，使正式进行打靶实验时所述的激光光束与定向束线的光路无遮挡。
本发明有以下几个方面的优点：
1、光路简单、成本低：本发明中的激光聚焦只用到了一块平面反射镜与一块离轴抛物面镜，光路简单。考虑到米量级光学镜片高昂的价格，本发明可以大大降低成本。
2、结构稳定、振动低：聚焦用到的平面反射镜与离轴抛物面镜均放置在独立支撑的立体宝塔平台上，与真空腔体没有刚性连结，不易受到来自真空腔体的振动影响。
3、操作灵活、效率高：按照实验方案需要改变激光与定向束线相互作用的位型时，只需同步将平面反射镜和离轴抛物面镜绕激光入射光轴进行自转和公转便可实现，操作非常灵活简捷，可以减少调整时间提高实验效率。
附图说明
图1为本发明实现与定向束线360°位型相互作用的激光聚焦调节系统的结构示意图。
图2a为本发明中激光光束聚焦光路；
图2b为本发明中激光与定向束线对准光路。
图3为本发明中激光与定向束线相互作用的位型调整示意图。
具体实施方式
为让本发明的上述优点能明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。需要说明的是，本发明不应局限于下述的具体实施的内容，本领域的技术人员应该从下述实施方式所体现的精神来理解本发明，各技术术语可以基于本发明的精神实质来做最宽泛的理解。
图1所示为本发明实现与定向束线360°位型相互作用的激光聚焦调节系统的结构示意图。图2所示为本发明中具体的激光光束聚焦光路和激光与定向束线对准光路。如两图所示，本发明实现与定向束线360°位型相互作用的激光聚焦调节系统，包括聚焦光路、焦斑探测对准系统和真空腔体。其中，聚焦光路包括立体宝塔平台、平面反射镜、离轴抛物面镜。立体宝塔平台包括上层环形平台、中间悬挂架、下层环形平台。焦斑探测对准系统包括闪烁晶体、成像光路、CCD、电动平移台。平面反射镜、离轴抛物面镜、上层环形平台、下层环形平台、中间悬挂架、闪烁晶体、成像光路、CCD、电动平移台均位于真空腔体内。
激光光束沿着光轴s自上而下竖直进入所述的真空腔体，定向束线沿着中心轴线t水平进入所述的真空腔体，光轴s与中心轴线t相交于固定焦斑位置。激光光束进入所述的真空腔体后依次经过平面反射镜与离轴抛物面镜聚焦于固定焦斑位置。闪烁晶体放置于固定焦斑位置，定向束线进入闪烁晶体后产生荧光，然后与激光光束同时经成像光路在CCD上成像并完成对准。
激光光束为飞秒或皮秒激光，激光打靶时可以达到相对论强度。
定向束线为自由电子激光(XFEL)、伽马射线、高能电子束或高能离子束，传播方向固定。
激光光束进入真空腔体后自上而下竖直传播经过平面反射镜折向侧下方，并由离轴抛物面镜完成聚焦。其中，平面反射镜的反射角M满足45°<M<90°，离轴抛物面镜的离轴角N满足N＝2M-90°，焦距满足使激光光束聚焦到固定焦斑位置。
平面反射镜放置于中间悬挂架内并整体悬挂于上层环形平台上，中间悬挂架载着平面反射镜可以绕着光轴s做圆周自转。离轴抛物面镜放置于下层环形平台上，并可以沿着固定轨道绕着光轴s做圆周公转。
下层平台上有以s轴为轴线的圆形滑动轨道，离轴抛物面镜底座内配有可升降高度的滚珠，当滚珠被顶起时恰好落在滑动轨道内从而载着离轴抛物面镜沿圆形滑动轨道移动到预定位置，到达位置后收起滚珠使离轴抛物面镜再次落到平台表面进行固定。同样，上层平台上也有类似的以s轴为轴线的圆形滑动轨道，中间悬挂架通过滚珠结构实现沿着光轴s做圆周自转。
平面反射镜的自转与离轴抛物面镜的公转需按照相同的转动角同步进行，保证激光光束的焦斑一直保持在固定焦斑位置，从而实现与定向束线的360°位型相互作用。
立体宝塔平台通过焊接波纹管与真空腔体独立支撑，从而保持较低的振动水平，为平面反射镜和离轴抛物面镜提供稳定支撑。
闪烁晶体、成像光路、CCD均可以随着电动平移台在中间悬挂架的小平台上内外移动，向外移动时可以完全退出激光光束与定向束线的光路，保证正式打靶时实验光路无遮挡。
图1所示的激光光束与定向束线相互作用采用的是对撞位型。实际开展实验时，还需要例如同向传播、90°泵浦-探测等多种作用位型。为此，需要考虑简捷灵活的位型调整方法。图3给出了本发明中激光与定向束线相互作用位型调整的示意图。如图所示，中间悬挂架载着平面反射镜可以绕着光轴(s)做圆周自转，离轴抛物面镜也可以在下层环形平台上沿着固定轨道绕着光轴(s)做圆周公转。当同步进行平面反射镜的自转与离轴抛物面镜的公转时，可以改变激光光束的传播方向，同时保证激光光束的焦斑位置一直保持不变，从而灵活实现与定向束线的360°位型相互作用。
上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非限制本发明的保护范围，本发明可以做各种更改和变化，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种实现与定向束线360°位型相互作用的激光聚焦调节系统，其特征在于，包括真空腔体(1)和位于该真空腔体(1)内的聚焦光路与焦斑探测对准系统；
所述的聚焦光路包括立体宝塔平台、及固定在该立体宝塔平台上的平面反射镜(2)和离轴抛物面镜(3)，所述的焦斑探测对准系统包括电动平移台(4)、及放置在该电动平移台(4)上的闪烁晶体(5)、成像光路(6)和CCD(7)；
激光光束(a)沿光轴(s)自上而下竖直进入所述的真空腔体(1)，定向束线(b)沿着水平光轴(t)进入所述的真空腔体(1)，且光轴(s)与所述的水平光轴(t)的交点为固定焦斑位置(O)；所述的激光光束(a)进入所述的真空腔体(1)后经过所述的平面反射镜(2)反射后，入射到所述的离轴抛物面镜(3)，经该离轴抛物面镜(3)聚焦于所述的固定焦斑位置(O)；所述的闪烁晶体(5)位于所述的固定焦斑位置(O)，所述的定向束线(b)射入所述的闪烁晶体(5)后产生荧光，并与所述的激光光束(a)在固定焦斑位置(O)汇聚后，经所述的成像光路(6)在所述的CCD(7)上成像。
2.根据权利要求1所述的实现与定向束线360°位型相互作用的激光聚焦调节系统，其特征在于，所述的激光光束(a)为飞秒或皮秒激光，激光打靶时可以达到相对论强度。
3.根据权利要求1所述的实现与定向束线360°位型相互作用的激光聚焦调节系统，其特征在于，所述的定向束线(b)为自由电子激光(XFEL)、伽马射线、高能电子束或高能离子束，传播方向固定不变。
4.根据权利要求1所述的实现与定向束线360°位型相互作用的激光聚焦调节系统，其特征在于，所述的激光光束(a)自上而下竖直传播经过所述的平面反射镜(2)折向侧下方，并由所述的离轴抛物面镜(3)完成聚焦，所述的平面反射镜(2)的反射角M满足45°<M<90°，所述的离轴抛物面镜(3)的离轴角N满足N＝2M-90°，焦距满足激光聚焦到固定焦斑位置(O)。
5.根据权利要求1所述的实现与定向束线360°位型相互作用的激光聚焦调节系统，其特征在于，所述的立体宝塔平台包括上层环形平台(8)、中间悬挂架(9)和下层环形平台(10)，所述的平面反射镜(2)放置于所述的中间悬挂架(9)内并整体悬挂于所述的上层环形平台(8)上，所述的中间悬挂架(9)载着所述的平面反射镜(2)可绕着光轴(s)做圆周自转；所述的离轴抛物面镜(3)放置于所述的下层环形平台(10)上，并可沿着固定轨道绕着光轴(s)做圆周公转。
6.根据权利要求5所述的实现与定向束线360°位型相互作用的激光聚焦调节系统，其特征在于，所述的平面反射镜(2)的自转与离轴抛物面镜(3)的公转需同步进行，保证激光光束(a)的焦斑一直保持在固定焦斑位置(O)，从而实现与所述的定向束线(b)的360°位型相互作用。
7.根据权利要求1或5所述的实现与定向束线360°位型相互作用的激光聚焦调节系统，其特征在于，所述的立体宝塔平台通过焊接波纹管独立支撑在地面上，且位于真空腔体(1)内部。
8.根据权利要求1或7所述的实现与定向束线360°位型相互作用的激光聚焦调节系统，其特征在于，所述的焦斑探测对准系统整体放置在中间悬挂架(9)下部的小平台上可以随电动平移台(4)进行移动，使正式进行打靶实验时所述的激光光束(a)与定向束线(b)的光路无遮挡。
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