CN115555705A - 多路皮秒和纳秒复合高功率激光脉冲系统及聚焦调节方法 - Google Patents

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Abstract

一种多路皮秒和纳秒复合高功率激光脉冲系统及聚焦调节方法，本发明将聚焦离轴抛物面反射镜与靶室集成为一体，解决了传统聚焦方法中离轴抛物面反射镜占用空间大，且在多束光入射时难以调节聚焦的问题，为光束较多的情况下提供了聚焦的可能性。

Description

多路皮秒和纳秒复合高功率激光脉冲系统及聚焦调节方法
技术领域
本发明涉及激光惯性约束核聚变，特别是一种多路皮秒和纳秒复合高功率激光脉冲系统及聚焦调节方法。
背景技术
激光惯性约束核聚变(ICF)是未来发展新型清洁能源的一种可能途径，其方法是利用多路(通常上百路)纳秒高功率激光脉冲均匀辐照由氘氚制成的靶丸(直接驱动)或者辐照黑腔体表面，由黑腔体产生的二次辐射(X射线、γ射线等)辐照氘氚靶丸(间接驱动)，将氘氚靶丸压缩到高温高压状态，发生聚变反应并释放出能量。近年来随着激光惯性约束聚变物理诊断、快点火驱动(注：快点火驱动是指：首先利用纳秒脉冲对氘氚靶丸进行压缩，然后利用高能皮秒激光脉冲触发聚变反应的一种驱动方式)、以及其它新型驱动方式的发展，提出了在常规纳秒激光驱动的基础上，建造一束甚至多束皮秒PW(1PW＝1015W)激光的要求，例如法国兆焦激光装置(LMJ)配置了一束皮秒PW激光(PETA-PS)，美国OMEGA激光装置配置了两束皮秒PW激光(OMEGA-EP)，美国国家点火装置(NIF)配置了四束皮秒PW激光(ARC-PS)，中国神光-II升级装置配置了一束皮秒PW激光(SG-II-PS-PW)，在建中的更大规模的神光系列装置(神光-IV)将配置4-8束皮秒PW激光等，随着对惯性约束聚变物理机制的理解和激光驱动器技术的进一步发展，未来的激光驱动器可能会需要建造更多路的皮秒PW激光。
由于强激光会导致空气电离从而无法到达靶丸，因此激光的聚焦通常发生在真空靶室中。每一束皮秒PW激光都必须通过真空靶室中的一个离轴抛物面反射镜聚焦于靶丸(近似为一点)，常规的聚焦方式如图1所示，离轴抛物面反射镜独立安装与靶室的真空系统中，激光路数的不断增加也就意味着所需要的离轴抛物面反射镜数目的增加。这样的聚焦方式必然存在着以下不足：
(1)离轴抛物面反射镜数目的增加会导致靶室内本就狭小的空间更为紧张，使得光路的调整难度大幅增加。
(2)由于离轴抛物面反射镜的调节依赖于对伺服电机的控制，而离轴抛物面反射镜的增加意味着需要对每个伺服电机实现同步控制，这种控制难度无疑会随着离轴抛物面反射镜数目的增加呈指数级增长。
发明内容
本发明的目的是为了弥补上述的现有聚焦方法的不足，提供了一种多路皮秒和纳秒复合高功率激光脉冲系统及聚焦调节方法。与传统方法相比，该方法的主要优势在于靶点位置以及离轴抛物面反射镜位置和姿态固定，大大简化了调节光路的过程。与此同时，由于该方法将离轴抛物面反射镜与靶室集成为一体改善了靶室中空间受限的问题，为光束较多的情况下提供了聚焦的可能性。
本发明的技术解决方案如下：
一种多路皮秒和纳秒复合高功率激光脉冲系统，其特点在于该系统的构成是：根据工作的需要，在靶室的内壁上设置具有共同焦点位置的N路离轴抛物面反射镜，靶位设置在所述的离轴抛物面聚焦镜的焦点，称为靶点，在入射光路和所述的离轴抛物面反射镜之间设置第1转接镜和第2转接镜，所述的第1转接镜的位置和第2转接镜的角度通过相应的步进电机来控制。
所述的多路离轴抛物面反射镜设置在靶室的内壁上的方法包括：将加工好的多路离轴抛物面反射镜固定在所述的靶室的内壁上，或直接由所述的靶室的内壁打磨形成。
所述的多路皮秒和纳秒复合高功率激光脉冲系统进行多路皮秒脉冲聚焦调节的方法，该方法包括下列步骤：
1)根据靶室的尺寸和靶点的位置计算出第i路离轴抛物面反射镜的焦距fi和离轴量bi，N为靶室的所有皮秒激光脉冲入射光路或离轴抛物面反射镜的总数；
2)在第i入射光路和第i路离轴抛物面反射镜之间设置第i1转接镜和第i2转接镜，在所述的第1转接镜和第2转接镜分别设置第i1步进电机和第i2步进电机，在所述的靶点位置放置一个CCD，该CCD的输出端与电脑的输入端相连；
3)令i＝1，通过第i1步进电机控制第i1转接镜调节第i入射光束的位置，通过第i2步进电机控制所述的第2转接镜，调节第i入射光束的方向(角度)，所述的CCD将所监测到的光斑尺寸输入所述的电脑，当所述的电脑显示的光斑尺寸达到最小值时，即完成第i入射光路和第i路离轴抛物面反射镜的聚焦调节；
4)当i<N时，令i＝i+1，并返回步骤3)，当i≥N时，进入下一步；
5)完成聚焦调节。
本发明的技术效果如下：
本发明将靶点位置和离轴抛物面反射镜的焦点位置重合，所以本发明在重复实验时靶点位置不需要重新确认。靶点和离轴抛物面镜反射镜都是固定不动的，减少了光路调节时的自由度，这大大的简化调节过程。
附图说明
图1为常规皮秒激光利用离轴抛物面反射镜的聚焦示意图
图2为本发明多路皮秒激光利用离轴抛物面反射镜聚焦系统示意图
图3为图2中的具体调试光路示意图
图4为反射铜镜反射率关于频率的衰减曲线
图5为一个实例，一种8束皮秒PW激光脉冲聚焦的空间示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步的详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
参照图2以及图3，图2为本发明多路皮秒激光利用离轴抛物面反射镜聚焦的安装调试示意图，图3为图2中的具体调试光路示意图。由图可见，本发明多路皮秒和纳秒复合高功率激光脉冲系统，根据工作的需要，在靶室的内壁上设置具有共同焦点位置的N路离轴抛物面反射镜，靶位设置在所述的离轴抛物面聚焦镜的焦点，称为靶点，在入射光路和所述的离轴抛物面反射镜Li之间设置第1转接镜M1和第2转接镜M2，所述的第1转接镜M1和第2转接镜M2的位置或角度通过相应的步进电机来控制。
所述的多路离轴抛物面反射镜设置在靶室的内壁上的方法为：将加工好的多路离轴抛物面反射镜固定在所述的靶室的内壁上，或直接由所述的靶室的内壁打磨形成。
上述多路皮秒和纳秒复合高功率激光脉冲系统聚焦调节的方法，包括下列步骤：
1)根据靶室的尺寸和靶点的位置计算出第i路离轴抛物面反射镜Li的焦距fi(图2所示)和离轴量bi(图2所示)，N为靶室的所有皮秒激光脉冲入射光路或离轴抛物面反射镜Li的总数；
2)如图3所示，在第i入射光路和第i路离轴抛物面反射镜之间设置第i1转接镜Mi1和第i2转接镜Mi2，在所述的第1转接镜M1和第2转接镜Mi2分别设置第i1步进电机B i1和第i2步进电机Bi2，在所述的靶点位置放置一个CCD，该CCD的输出端与电脑的输入端相连；
3)令i＝1，通过第i1步进电机Bi1控制第i1转接镜Mi1调节第i入射光束的位置，通过第i2步进电机Bi2控制所述的第2转接镜M2调节第i入射光束的方向(角度)，所述的CCD将所监测到的光斑尺寸输入所述的电脑，当所述的电脑显示的光斑尺寸达到最小值时，即完成第i入射光路和第i路离轴抛物面反射镜的聚焦调节；
4)当i<N时，令i＝i+1，并返回步骤3)，当i≥N时，进入下一步；
5)完成聚焦调节。
实施例1
设计一大型惯性约束激光驱动系统，包含32束纳秒激光和8束皮秒拍瓦激光，为了节省空间，其中8束皮秒PW激光的聚焦，基于本发明的参考设计示意图如图5所示，图5中最左为左视图，中间为正视图，最右为右视图。图中1～8分别为固定于真空靶室内部的8块离轴抛物面反射镜，其中1～4被固定于靶室左侧，而5～8被固定于靶室右侧。
另外32束纳秒激光，从靶室的柱体射入，由于离轴抛物面反射镜集成于真空靶室内部的两端，这种设计，可以将靶室中大量的空间留给另外32束的纳秒聚焦和物理实验的诊断仪器之用。
实施例2
将真空靶室内部的金属表面打磨成所需离轴抛物面反射镜。根据我们测得的反射铜镜反射率关于频率的衰减曲线(图4)，铜镜在800nm附近反射率可以达到98％以上，完全满足离轴抛物面反射镜的使用需求，也证明了直接将靶室内部的金属表面加工成离轴抛物面反射镜的可行性。

Claims (3)

1.一种多路皮秒和纳秒复合高功率激光脉冲系统，其特征在于该系统的构成是：根据工作的需要，在靶室的内壁上设置具有共同焦点位置的N路离轴抛物面反射镜，靶位设置在所述的离轴抛物面聚焦镜的焦点，称为靶点，在入射光路和所述的离轴抛物面反射镜(Li)之间设置第1转接镜(M1)和第2转接镜(M2)，所述的第1转接镜(M1)和第2转接镜(M2)的位置或角度通过相应的步进电机来控制。
2.根据权利要求1所述的多路皮秒和纳秒复合高功率激光脉冲系统，其特征在于所述的多路离轴抛物面反射镜设置在靶室的内壁上的方法为：将加工好的多路离轴抛物面反射镜固定在所述的靶室的内壁上，或直接由所述的靶室的内壁打磨形成。
3.权利要求1或2所述的多路皮秒和纳秒复合高功率激光脉冲系统进行多路皮秒脉冲聚焦调节的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：
1)根据靶室的尺寸和靶点的位置计算出第i路离轴抛物面反射镜(Li)的焦距fi和离轴量bi，N为靶室的所有皮秒激光脉冲入射光路或离轴抛物面反射镜(Li)的总数；
2)在第i入射光路和第i路离轴抛物面反射镜之间设置第i1转接镜(Mi1)和第i2转接镜(Mi2)，在所述的第1转接镜(M1)和第2转接镜(M2)分别设置第i1步进电机(Bi1)和第i2步进电机(Bi2)，在所述的靶点位置放置一个CCD，该CCD的输出端与电脑的输入端相连；
3)令i＝1，通过第i1步进电机(Bi1)控制第i1转接镜(Mi1)调节第i入射光束的位置，通过第i2步进电机(Bi2)控制所述的第2转接镜(M2)调节第i入射光束的方向(角度)，所述的CCD将所监测到的光斑尺寸输入所述的电脑，当所述的电脑显示的光斑尺寸达到最小值时，即完成第i入射光路和第i路离轴抛物面反射镜的聚焦调节；
4)当i<N时，令i＝i+1，并返回步骤3)，当i≥N时，进入下一步；
5)完成聚焦调节。
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