CN201166732Y - 用于啁啾脉冲放大的自准直平面调制光谱调制整形装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于啁啾脉冲放大(CPA)系统的自准直平面调制光谱调制整形装置。包括自准直平面调制CTSI光谱分解系统和CTSI光谱合成系统，包括光阑和平面光谱调制反射镜构成光谱调制系统；利用CTSI光谱分解系统先将激光啁啾脉冲真实展开到光谱面，再利用光谱调制系统在像平面上进行光谱调制，然后利用CTSI光谱合成系统将调制后光谱无畸变的还原为调制后的啁啾脉冲，达到光谱调制整形目的。本实用新型所用光学元件易于加工，且具有结构紧凑，占用空间少，价格较低等特点；本装置可根据需要设计为各种型式的光谱整形调制装置；可对一般激光脉冲实现光谱调制和光谱整形，尤其适用于几个纳米带宽的大能量高功率CPA系统。

Description

用于啁啾脉冲放大的自准直平面调制光谱调制整形装置

技术领域

本实用新型涉及一种用于激光脉冲放大(CPA)系统的光谱调制整形装置，特别涉及一种用于大能量高功率激光啁啾脉冲放大系统的自准直平面调制光谱调制整形装置，属于工程光学应用技术领域。

背景技术

在超短超强高功率激光技术中，许多因素限制了激光系统输出功率的进一步提高，其中固体激光介质的增益窄化和增益饱和效应是一个较为棘手的问题。增益窄化效应是由于放大介质原子发射线有限宽，由于频率牵引效应，从而使输出脉冲的频谱变窄，这不但会导致脉冲波形的畸变，而且还会使脉冲很难压回到原来的宽度。而增益饱和效应是导致啁啾脉冲产生畸变的另一个重要原因，它是由于脉冲前沿消耗了放大介质的反转粒子数，导致放大脉冲前沿的光强放大倍数大于后沿的光强放大倍数，从而使放大脉冲的波形前后沿不对称，因此使放大脉冲得不到有效的放大，并使脉冲的频谱产生红移，引起脉冲畸变。在实际工作中，为了补偿CPA过程中产生的增益窄化和增益饱和效应以及提高高功率激光输出脉冲信噪比(SNR)参数，需要利用光谱整形装置使放大前的脉冲光谱分布的中心波长附近出现一定形状和大小的凹陷。在惯性约束核聚变(ICF)研究中，其物理实验对高功率激光输出的脉冲参数要求非常苛刻，而且在神光II千焦拍瓦高功率放大系统设计中，人们更加关心调制其相应的脉冲时空特性和光谱特性，其中对啁啾脉冲进行光谱调制和光谱整形，目的主要是尽量消除CPA过程中增益窄化效益和增益饱和效应的影响，同时力图提高高功率激光光束输出的SNR参数。如文献：[楚晓亮，张彬，蔡邦维等，“啁啾脉冲多程放大及其逆问题的研究”，《物理学报》，54(10)，2005，10，4696-4701]；[张彬，吕百达，“多级和多程脉冲激光放大器的逆问题”，《中国激光》，1997，24(6)，495-500]；[王韬，范滇元，“高功率激光放大器脉冲的整形设计”，《强激光与粒子数》，1999，11(2)，139-142]；[黄小军，魏晓峰，彭翰生等，“百太瓦级超短脉冲激光装置研制”，2004’四川光电子学会议。]

同样由上述文献还可知国际通用方法中使用的光谱整形装置主要存在以下缺点：1、在再生放大器中加入可调谐空气隙标准具来调整光谱的装置，但这种调整较复杂，而且在神光II千焦拍瓦高功率放大系统中用光参量啁啾脉冲放大技术(OPCPA)替代了再生放大器，因而不适用。2、使信号光源中心波长蓝移，即相对于增益介质中心波长蓝移，并且使长波长方向有较长的脉冲沿，直接调整光谱的装置。但是这种装置对超过太瓦级(10¹²)的系统不实用。3、长波长注入法，使增益窄化效益来补偿饱和效应的影响的装置，但这种装置又影响到系统的稳定性。4、采用可编程声光色散滤波器(AOPDF)的装置，虽然能提供较大的增益补偿能力和较大的色散补偿范围。如中国工程物理研究院在国内首次引进AOPDF，并成功用于星光百太瓦装置。但是这种装置的AOPDF的色分辨率仅能用于钛宝石这样的宽带啁啾脉冲系统，对于钕玻璃系统不适用。

同时注意到在大能量高功率条件下，透射介质如滤光片和双折射晶体，或有机选择元件如铰链型有机聚合物调制均不适用，如文献所述：[朱鹏飞，杨镜新，薛绍林，李美荣，林尊琪，“超短脉冲的光谱整形”，中国激光，30(12)，2003，1075：1078]；[冷雨欣；林礼煌；徐至展，“掺钛蓝宝石再生放大器的光谱整形”，光学学报，22(2)，2002’170：174]；以及专利号ZL200410025678.1和专利号ZL200410024684.5的专利。

目前用于光谱整形的透射方法的装置有：1.利用干涉滤光片选择透射的装置。但是这种装置存在原理和工程技术上的困难，原理上易造成相位副作用，工程上由于目前的镀膜工艺水平限制，滤波带设计在十几个纳米时，就无法有效控制透射率曲线的带宽和中心凹陷的程度。而且光谱调制对入射角精度要求高，且缺乏灵活性。2.利用双折射率晶体组合镜中寻常光和非常光干涉产生选择透射的装置。但是这种装置存在原理和工程上的困难，一是透射式元件，会对通过它的激光产生副作用，例如引起法布里-伯罗效应、相位畸变等；二是双折射晶体的厚度取决于待整形激光光束的光谱宽度，激光的光谱越窄，要求晶体的厚度越厚。例如对13nm的超短脉冲整形，要求双折射晶体的厚度为25毫米，而双折射晶体不可能做的很大。3.采用铰链型有机聚合物波导或经电晕极化具有光电效应的有机聚合物波导实现选择反射的装置，但是这种装置对于大能量高功率激光系统不适用。

发明内容

本实用新型的目的正是针对上述所述现有技术中所存在的缺陷，提出一种用于大能量高功率激光啁啾脉冲放大(CPA)系统的平面光谱调制整形装置，该装置包括改进的切尔尼-特纳光谱仪器系统(Czerny-Turner Spectrum Instrument，简称CTSI系统)，即该装置包括CTSI光谱分解系统与CTSI光谱合成系统，包括光阑和平面光谱调制反射镜构成的光谱调制系统，利用CTSI光谱分解系统先将啁啾脉冲完全真实展开到光谱面，再利用光谱调制系统在像平面上进行光谱调制，然后利用CTSI光谱合成系统将调制后的光谱无畸变的还原为调制后的啁啾脉冲，达到光谱调制整形目的。本实用新型克服了常规光谱调制整形装置要么是对超过太瓦级的系统不适用、要么是对钕玻璃系统等窄带系统不适用的问题；本实用新型可对一般激光光束实现光谱调制和光谱整形，尤其适用于几个纳米带宽的大能量高功率CPA系统。本装置中各系统采用自准直对称排布尺寸较小的凹面反射镜，故具有结构紧凑，占用空间少，稳定性强等特点；可以插入到放大器链路的任何地方；色散分辨本领可以达一埃，幅度调制在保证相位不变的条件下超过60％，可应用在PW装置上。

为实现本实用新型的目的，本实用新型采用由以下措施构成的技术方案来实现的：

本实用新型用于啁啾脉冲放大的自准直平面光谱调制整形装置，其特征在于，按照设计光路顺序描述：包括第一分光棱镜，第二分光棱镜，和1/4波片；包括由第一凹面反射镜，第一光阑和第二凹面反射镜构成照明系统；进一步包括由第一光阑，第二凹面反射镜，光栅，第三凹面反射镜及第二光阑构成自准直平面调制CTSI光谱分解系统；由第二光阑与其上的平面光谱调制反射镜构成的光谱调制系统；由中心对称凹面反射镜，第二光阑及其上的平面光谱调制反射镜，第三凹面反射镜，光栅，第二凹面反射镜及第一光阑构成自准直平面调制CTSI光谱合成系统；来自CPA前端的激光光束由第一分光棱镜起偏，再通过1/4波片及第一凹面反射镜，经第一凹面反射镜变为平行光束，通过上述光谱分解系统，光谱调制系统及光谱合成系统完成光谱分解、调制及合成的啁啾脉冲再通过1/4波片，偏振旋转90度，在第一分光棱镜处全反射到第二分光棱镜起偏，然后输入到后级固体放大介质中放大。

上述技术方案中，所述光栅采用可逆反射式定向平面闪耀光栅。

上述技术方案中，所述凹面反射镜均要求在整个工作波段内严格消除色差、球差，彗差，像散和场曲，使谱像面对于平面光谱调制反射镜表面的最大偏离小于按瑞利准则导出的半焦深容限。

上述技术方案中，所述中心对称凹面反射镜与第三凹面反射镜相对光谱调制反射镜成对称，由中心对称凹面反射镜反射原路返回构成自准直光路系统。

上述技术方案中，所述第一光阑为实共焦望远镜像传递照明系统的光阑；所述照明系统在保证正常宽度要求的相干同相入射的条件下，不改变来自CPA前端的激光束的时间和空间分布，与色散系统和成像系统的相对孔径匹配，且保证通光口径能充满色散系统的口径；所述第一光阑采用孔径光阑，第二光阑为档光板与其在平面光谱调制反射镜中的像构成的狭缝光阑。所有光阑均应满足孔径的正常宽度a₀条件，或满足CTSI光谱分解系统和CTSI光谱合成系统能达到的衍射半宽度a₀条件，同时第二光阑与第一光阑应通过激光啁啾脉冲带宽内所有频谱的光。

上述技术方案中，所述光学元件全部选用相对色散元件成对称型的成像系统，或者相对色散元件成不对称补偿像差的成像系统。

上述技术方案中，所述平面光谱调制反射镜采用多层介质膜微浮雕结构的平面光谱调制反射镜；或微镜结构反射镜；或液晶光阀；或前加变栅距光栅的反射镜；或前加液晶空间光调制器的反射镜；或微机电薄膜反射镜MIMS；或连续变形反射镜；或Bimorph变形镜；或棱镜/波导耦合反射镜；或变栅距光栅反射镜。

上述技术方案中，所述第一分光棱镜与第二分光棱镜位置相互垂直。

上述技术方案中，所述CTSI光谱分解系统和CTSI光谱合成系统中的凹面反射镜相对色散元件呈反射式水平成像光谱系统，或呈反射式垂直成像光谱系统。

上述技术方案中，所述CTSI光谱分解系统与CTSI光谱合成系统相对平面光谱调制反射镜呈反射式水平成像光谱调制系统，或呈反射式垂直成像光谱调制系统。

本实用新型用于啁啾脉冲放大的自准直平面光谱调制整形装置其基本思想是：针对激光光谱，利用自准直平面调制CTSI光谱分解系统将激光啁啾脉冲完全真实展开到光谱面，再利用自准直平面调制光谱调制系统在像平面上进行光谱调制，然后利用自准直平面调制CTSI光谱合成系统将调制后的光谱无畸变的还原为调制后的啁啾脉冲，达到光谱调制整形目的。利用改进了的切尔尼-特纳光谱仪器系统，本实用新型的实施例采用多层介质膜微浮雕结构的光谱调制反射镜，来实现对CPA系统中啁啾脉冲的光谱调制和光谱整形；又由于利用改进了的切尔尼-特纳光谱分解系统及合成系统，使光谱调制具有调整灵活性。还选择可在大口径大能量条件下工作的可逆反射式定向平面闪耀光栅。选择合理的排布结构参数，准直系统和成像系统的物镜均选择凹面反射镜，并且都要严格校正球差和慧差，使谱像面对于光谱调制镜表面的最大偏离小于按瑞利(Rayliegh)准则导出的半焦深容限，从装置的型式上即对应色散元件和二个作为物镜的凹面反射镜的相对位置的设置来减小像散。多层介质膜微浮雕结构光谱调制反射镜可以做到在中心光谱附近实现一定形状和大小的幅度凹陷而相位保持不变(见专利申请号200710049516.5和200720080292.X的专利申请)。

本实用新型用于啁啾脉冲放大的自准直平面光谱调制整形装置中，光学元件全部选用反射元件，其理由是：一是本装置工作在大能量高功率激光啁啾脉冲条件下，只有反射元件才适合；二是反射元件没有色差的问题，不会引起附加光谱调制，用在光栅式光谱调制整形装置中便于获得平直的光谱面；三是更换不同的反射膜可以工作在几乎所有的激光波段范围，尤其对红外，近红外激光非常重要，因为在远红外区和远紫外区没有合适的光学材料可制造透镜。装置中色散元件全部选用相对色散元件成对称成像系统，其理由是：一是这样的系统可以将彗差减小为零，二是在色散元件成对称系统中容易补偿色散为零。本实用新型由于是激光光谱分解和合成，为提高集光本领，本装置中光阑采用像传递望远镜系统小孔代替一般系统的狭缝。

在实际工作中，为了补偿CPA过程中产生的增益窄化和增益饱和效应以及提高输出脉冲信噪比(SNR)参数，需要利用光谱整形装置使放大前的脉冲光谱分布中心波长附近出现一定形状和大小的凹陷。采用多层介质膜微浮雕结构光谱调制反射镜，通过选择不同的膜系结构参数可得到不同的多层介质反射镜的反射率曲线和相应的光谱整形效果。从而可补偿CPA过程中产生的增益窄化和增益饱和效应。

本实用新型与现有技术相比具有如下有益的效果和优点：

1.本实用新型装置利用改进的CTSI系统，同时采用多层介质膜微浮雕结构光谱调制反射镜，将激光啁啾脉冲分解、调制、再合成的方法，解决了长期悬而未决的国际通用装置要么是对超过太瓦的系统不实用、要么是对于钕玻璃系统等窄带系统不适用的问题。

2.本实用新型装置采用了可在大口径大能量条件下工作的可逆反射式定向平面闪耀光栅色散系统，解决了AOPDF的色分辨率仅能用于钛宝石这样的宽带啁啾脉冲系统，对于钕玻璃系统不适用的问题。

3.本实用新型装置采用改进的CTSI系统，同时采用多层介质膜微浮雕结构光谱调制反射镜，用于激光啁啾脉冲放大光谱分解、整形调制和光谱合成，解决了大能量高功率啁啾脉冲放大链路谱整形要求的装置设计问题；由于装置中光路呈自准直系统，谱面中央的彗差和象散都可以减小到忽略不计的程度、边缘的象差也可减少到理想的程度；由于使用凹面反射镜作为准直物镜和摄谱物镜，不产生色差，谱面平直。

4.本实用新型的光谱整形调制装置通用性强，不仅适用于钕玻璃系统，也适用于钛宝石系统；如果使光栅绕通过光栅刻划面的垂轴转动，就可很方便地改变调制光谱范围，同时可以作摄谱仪器，无需附加调焦，使用很方便。

5.本实用新型采用可逆反射式定向平面闪耀光栅，采用中心对称凹面反射镜反射原路返回构成自准直光路系统，使装置光学元件减少，结构简单，易调试。

6.本实用新型装置的CTSI系统中所用的凹面反射镜尺寸较小，容易加工，具有装置结构较紧凑，占用空间少，制造价格较便宜等特点；解决了国际通用方法中要么要求复杂的结构、要么要求比较昂贵的先进设备的问题。

7.本实用新型装置采用多层介质膜微浮雕结构平面光谱调制反射镜采用平面设计，容易加工，避免了纳米加工工艺的困难。

8.本实用新型装置中采用多层介质膜微浮雕结构光谱调制反射镜，同时采用了可在大口径大能量条件下工作的可逆反射式定向平面闪耀光栅，解决了大口径光束反射光强的调制问题，且可以使其工作在高功率条件下，因此该装置可以插入到放大器链路的任何地方。

9.本实用新型装置采用多层介质膜微浮雕结构平面光谱调制反射镜，解决了啁啾脉冲放大中要求反射光相位一致的问题，且相对幅度调制在保证相位不变的条件下超过60％。

10.本实用新型装置不仅可以应用于ICF激光驱动器追求研制高功率固体激光器的谱调整，而且可对一般激光脉冲实现光谱调制和光谱整形，尤其适用于几个纳米带宽的大口径大能量高功率CPA系统。

11.本实用新型采用实共焦望远镜系统的像传递系统来照明，具有在保证正常宽度要求的相干同相入射的前提下，不改变输入种子激光光束的时间和空间分布，聚光本领大，与色散系统和成像系统的相对孔径相匹配，且保证通光口径能充满色散系统的口径等特点。

附图说明

图1本实用新型自准直平面光谱调制CTSI系统光谱调制整形装置结构示意图；

图2本实用新型图1装置实施例1水平空间排布水平调制正面图；

图3本实用新型图1装置垂直空间排布结构侧面图；

图4本实用新型图1装置实施例2垂直空间排布垂直调制正面图；

图5本实用新型图1装置实施例3水平空间排布垂直调制正面图；

图6本实用新型图1装置实施例4垂直空间排布水平调制正面图；

图7本实用新型图1装置实施例5垂直空间排布水平调制正面图；

图8本实用新型图1装置实施例6垂直空间排布垂直调制正面图；

图9本实用新型经平面光谱调制反射镜调制后的光谱特性分布曲线图；

图10本实用新型经图1装置调制后目标脉冲波形。

图中：0-CPA前端；1-第一凹面反射镜；6-第一光阑；2-第二凹面反射镜；3-光栅；4-第三凹面反射镜；5-平面光谱调制反射镜；10-第二光阑；4”-中心对称凹面反射镜；7-1/4波片；8-第一分光棱镜；9-第二分光棱镜；0’-后级固体放大介质。

具体实施方式

下面结合附图、工作原理，并通过具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明，但它仅用于说明本实用新型的一些具体的实施方式，而不应理解为对本实用新型保护范围的限定。

以下对本实用新型的自准直平面调制光谱调制整形装置中各系统的基本原理进行描述：

一、光谱分解系统：

1、照明系统

照明系统是用来尽可能多的汇聚光源射出的光能量，并传递给准直系统。针对来自CPA前端0的种子脉冲，本实用新型采用由第一凹面反射镜1和第二凹面反射镜2构成的实共焦望远镜系统的像传递系统来照明，具有在保证正常宽度要求的相干同相入射的前提下，不改变输入种子激光光束的时间和空间分布，聚光本领大，与色散系统和成像系统的相对孔径相匹配，且保证通光口径能充满色散系统的口径等的特点。

2、准直系统

本实用新型中光栅作为光谱分光和光谱合成元件均工作在平行光束中，因此，需要凹面反射镜变换。按照光路顺序，从装置的输入孔径光阑第一光阑6出射的光由第一凹面反射1镜变换为平行光束后照射到光栅面3上，构成准直系统。一般的准直系统是由入射狭缝和准直物镜组成，入射狭缝位于准直物镜的焦平面上。本实用新型由于采用激光照明，这里用像传递系统聚焦孔径光阑代替了入射狭缝。对于准直系统后面的系统而言，这一光阑的孔径成为替代的实际的光源，限制着进入系统的光束。

3、色散系统

色散系统的作用是将入射的复合光分解为光谱。由于光谱棱镜色散率太小，而且存在固有的谱面倾斜和畸变，故在啁啾脉冲放大(CPA)光谱整形系统中不选。多光束干涉如法布里-珀罗、陆木-盖克平行板色散分辨率高，但由于不可闪耀，不能工作在大能量下，且光路不可逆，故不选。凹面光栅，光路简单，但是由于制造困难，而且许可有效面积小，像质差、像散大，同时线色散率不均匀，故不选。光谱滤光片由于是透射元件，不能工作在大能量条件下，而且有相位副作用，故不选。阶梯光栅元件分辨率极高，但加工极其困难，而且自由光谱范围非常狭小，故不选。因而本实用新型选择了可在大口径大能量条件下工作的反射式定向平面闪耀光栅。

(1)分解光谱光栅分解原理

根据光线在主截面内入射和衍射可得相邻两光线干涉极大值的条件确定的光栅方程式：

d₁(sinα₁+sinβ₁)＝m₁λ                         (1)

式中，α₁为分解光谱光栅入射角；β₁为分解光谱光栅衍射角；d₁为分解光谱光栅刻痕间距，通常称为光栅常数；m₁为光谱级次，为整数；λ为波长，可改写上式为：

${\mathrm{\β}}_1\left(\mathrm{\λ}\right)=\arcsin (\frac{m_1\mathrm{\λ}}{d_1}-\sin {\mathrm{\α}}_1)---\left(2\right)$

由式(2)明显地看出，当光栅的光栅常数d₁及入射角α₁一定时，除零级外，在确定的光谱级次m₁中，波长λ愈长的光束衍射角愈大。这样，不同波长的同一级主最大，自零级开始向左右两侧按波长次序由短波向长波散开。在实际的光栅衍射图样中，由于总的刻线数目很大，所以主最大对应的角宽度很小，在光栅后面的成像物镜焦面上就形成非常明锐的细亮线——谱线。

(2)合成光谱光栅合成原理

以几何光学描述如下：不同波长的同一级主最大是，自零级开始向左右两侧按波长次序由短波向长波按光谱分布散开的单色光，以各色衍射角β(λ)会聚入射到光栅上，光栅能将它按波长在空间进行光谱合成，这同样是由于多缝衍射和干涉的结果。光栅产生的合成光强，其位置是由各色多级衍射图样中的主最大条件决定的。通常以反射式定向光栅作为光谱合成器件。对于合成光谱光栅，光线在主截面内入射和衍射的光栅方程式同样为：

d₂(sinα₂+sinβ₂)＝m₂λ                  (3)

式中，α₂为合成光谱光栅入射角；β₂为合成光谱光栅衍射角；d₂为合成光谱光栅刻痕间距，称为光栅常数；m₂为合成光谱光栅光谱级次，为整数。若不考虑能量损失，即假设全部衍射光以汇聚球面波参与合成时，由(2)式代入(3)式即α₂(λ)＝β₁(λ)方程式变为：

$d_2(\sin \left(\arcsin (\frac{m_1\mathrm{\λ}}{d_1}-\sin {\mathrm{\α}}_1)\right)+\sin {\mathrm{\β}}_2)=m_2\mathrm{\λ}---\left(4\right)$

当d₂＝d₁，且m₂＝m₁时，式(4)为：

sinβ₂＝sinα₁                              (5)

在主值范围(0，π/2)，式(5)为：

β₂＝α₁                                   (6)

由式(4)、式(5)和式(6)明显地看出，当一束汇聚的各单色光以各色衍射角 ${\mathrm{\β}}_1\left(\mathrm{\λ}\right)=\arcsin (\frac{\mathrm{m\λ}}{d}-\sin {\mathrm{\α}}_1)$ 入射到合成光谱光栅上，当合成光谱光栅的光栅常数与分解光谱光栅的光栅常数相同时，即d₂＝d₁，且合成与分解光谱级次相对应，即m₂＝m₁，且光栅工作在闪耀条件下，即主值范围在(0，π/2)，能将光谱按波长在空间进行光谱合成，使各色光出射角β₂(λ)等于光谱分解时的入射角α₁，即各色光出射角为常数。这同样是由于多缝衍射和干涉的结果。通常以光栅集中90％以上能量的第一级衍射光谱的单色光实现光谱合成，光栅产生的合成光强，其位置是由各色多级衍射图样中的主最大条件决定，有β₂＝α₁。因此本实用新型以可逆反射式定向平面闪耀光栅作为光谱合成器件。只要中心波长闪耀，附近的波长也能近似为闪耀输出，只是衍射效率相对降低一点。因此，合成光栅与分解光栅一样，选择对中心波长闪耀的可逆反射式定向平面闪耀光栅。

对于合成光谱光栅的严格波动理论证明为：谱面上光谱分布位置为(-f，y_m)，谱面位于准直物镜的前焦面-f，谱面上光谱单色光垂直位置为y_m，衍射光栅位于准直物镜的后焦面(f，0)。使中心波长位于光轴上，它的-1级干涉主极大与槽面衍射主极大重合，零级干涉主极大刚好落在槽面衍射的+1级零值极小上；使其它波长位于准直物镜光轴的两侧，它们的-1级干涉主极大与中心波长光谱的槽面衍射主极大重合；同时使光栅平面法线与物镜光轴的夹角为衍射光栅槽形角t的一半，d取1μm左右，激光束在近场和远场均能很好地叠加在一起；其输出光束的半角宽度小，光强大，衍射效率高，更能有效地利用入射光能量。这样的频谱合成，可以达到近衍射极限的光束质量，且衍射光栅槽形角t越小，光束半宽度越小。

4、成像系统

成像系统的作用是将空间上色散开的各波长的光束会聚在成像物镜的焦平面上，形成一系列的按波长排列的频谱的单色像。由于被研究的对象不同，其成像有三种情况：线光谱、带光谱或连续光谱。对啁啾脉冲的分解、调制和合成，光谱在啁啾范围内是连续光谱或是一级的带状光谱。

成像系统的另一个作用是矫正彗差和像散。成像系统中球差是无法用调整的办法来消除的，必须在设计系统时，将光学元件校正到象差容限以内。用凹面反射镜作为准直、成像物镜时，为了校正球差可以采用抛物面凹面反射镜。然而彗差则可以将准直和成像两个物镜一起考虑，从装置构型的排布来加以校正，本实用新型采用色散元件和两个作为物镜的凹面反射镜的相对位置来减小彗差。同样，采用凹面反射镜作为准直物镜和成像物镜时，也无法从选择物镜的结构参数上来减小像散，但可采用装置的型式即色散元件和二个物镜的相对位置的设置减小像散。

二、光谱调制系统：

由光阑和平面光谱调制反射镜5构成光谱调制系统。由第三凹面反射镜4成像于平面光谱调制反射镜处，由于本装置实施例中光谱调制反射镜采用多层介质膜微浮雕结构的平面光谱调制反射镜，其宝塔型微浮雕结构外侧为高反射膜系，宝塔型微浮雕结构内侧为增透膜系结构。其中，高反射膜系结构是为了实现对啁啾脉冲经光栅后的衍射光场进行光强调制，从而达到光谱调制整形目的，而增透膜系宝塔型结构是为了增加光谱调制的灵活性而加入的。宝塔型结构的不同台阶所对应光谱调制反射镜面上的横向空间位置即为光谱调制反射镜进行光强调制的空间位置。因平面光谱调制反射镜可以做到在中心光谱附近实现幅度凹陷而相位保持不变，即可将其反射光强分布调制到所需光谱分布结构。如图9中给出了在中心波长附近处进行不同深度光谱调制的结果，图9中，曲线1为输入啁啾脉冲光谱分布；曲线2为光谱整形多层介质微浮雕结构反射镜的反射调制曲线；曲线3为整形后脉冲光谱分布。

本装置由于自准直的特殊性，调制反射光由中心对称凹面反射镜反射，经原路返回到第二光阑及其上的平面光谱调制反射镜，有一个再次调制的过程。调制结果是，反射光强分布结构不变，但是调制深度是两次调制的结果。通过合理设计膜系结构参数和有效控制加工精度，可使放大前的啁啾脉冲经多层介质膜微浮雕结构反射镜反射光谱调制整形后，其光谱分布在中心波长附近出现不同调制形状和调制深度的凹陷，如图10所示。

三、光谱合成系统：

由前述合成光谱光栅合成原理可知，不同波长的同一级主最大是，自零级开始向左右两侧，按波长次序由短波向长波按光谱分布散开的单色光，以各色衍射角β(λ)会聚入射到光栅上，光栅能将它按波长在空间进行光谱合成。按光路顺序描述：调制反射光由中心对称凹面反射镜4″反射，经原路返回到第二光阑10及其上的平面光谱调制反射镜5再次调制，再返回到第三凹面反射镜4，准直到光栅3形成色散相减的结构，光束平行入射到第二凹面反射镜2聚焦到第一光阑6构成CTSI光谱合成系统。

光谱合成系统，是以平面光谱调制反射镜5以后的对称成像系统和色散系统构成，其特点是光谱合成系统与光谱分解系统成对称成像；并与光谱分解系统一致成色散相减的系统；通常要求各色光线光程差为零，即附加剩余色散为零。本装置设计的CTSI光谱合成系统与CTSI光谱分解系统由中心对称凹面反射镜4″反射呈自准直系统结构。

因此，设计CTSI光谱合成系统与CTSI光谱分解系统的结构完全相同、对称，即所述CTSI光谱分解系统与CTSI光谱合成系统的准直、成像系统的焦距相等，横向放大率相等，或者CTSI光谱合成系统与CTSI光谱分解系统结构完全对称，并且以逆向正常光路方向从CTSI光谱合成系统追迹的系统与CTSI光谱分解系统的准直、成像系统的焦距对应相等，横向放大率相等。在所有光阑及其像的宽度相等的条件下，可以使剩余色散相减为零。

四、光阑设计原理

根据使球差和彗差造成在焦平面上的弥散斑直径2dr′，或是在色散方向的弥散宽度a′小于确定的数值为判据，并以判据值a₀作为孔径的正常宽度或衍射半宽度确定入射光阑大小。

$a_0=\mathrm{\λ}\frac{f^{\′}}{D}=a_1---\left(7\right)$

2dr′或者a′≤a₀                          (8)

为了使通过CTSI光谱分解系统的光束全部顺利地通过CTSI光谱合成系统，CTSI光谱分解系统的出瞳必须与CTSI光谱合成系统的入瞳相重合，也就是说，第一个色散元件中心发出的光束必须通过第二个色散元件的中心。

CTSI光谱分解系统和CTSI光谱合成系统的中间光阑与出射光阑不应对光束有任何限制，即应通过激光啁啾脉冲带宽内所有频谱的光；色散相减的CTSI光谱分解系统和CTSI光谱合成系统，一般采用色散全消的形式，谱线的宽度决定于入射光阑与中间光阑的宽度，中间光阑的宽度与出射光阑的宽度要求分别满足

a₂≥γa₁+b₁                         (9)

a₃≥γ²a₁+b₂                        (10)

式中a₁，a₂和a₃分别为入射光阑的孔径、中间光阑的孔径和出射光阑的孔径大小；b₁，b₂为入射光阑的孔径a₁在中间光阑和出射光阑的孔径a₂，a₃上的像差宽度。

五、准直成像系统的象差容限

在光学设计中应对CTSI光谱合成系统与CTSI光谱分解系统单独完成像差校正，使CTSI光谱合成系统与CTSI光谱分解系统的像差都在容限范围以内，才能保证系统总像差的要求。光学系统象差校正的要求可概括为：1)在整个视场范围内使光谱面平直；2)在整个光谱面上谱线聚焦清晰，谱线轮廓对称；3)沿谱线高度方向强度分布均匀。CTSI光谱合成系统与CTSI光谱分解系统的准直系统是小相对孔径、小视场系统；成像系统则是小相对孔径、中等视场系统。

对象差校正的参数要求则可归纳为：准直系统和成像系统的物镜都要严格校正球差和彗差。根据经验，一般都采用瑞利准则作为象差容限。所谓瑞利(Rayliegh)准则，就是由剩余球差、剩余彗差所产生的最大波象差应当小于λ/4。按照轴向象差和波象差的关系，可以得到凹面反射镜的球差和彗差的容限如下：

轴向球差：

${\mathrm{LA}}^{\′}\≤\frac{8}{3}\mathrm{\λ}\left(\frac{f^{\′}}{D}\right)---\left(11\right)$

偏离正弦条件：

${\mathrm{OSC}}^{\′}\≤\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{nl}}\left(\frac{f^{\′}}{D}\right)---\left(12\right)$

式中，D为有效光阑孔径，在CTSI光谱分解系统和CTSI光谱合成系统中就是色散元件的有效宽度；f′为物镜的焦距；λ为选定的光线波长；l为边缘主光线或边缘谱线到光轴的距离。

在本实用新型装置中都是采用凹面反射镜作为准直物镜和成像物镜，不能组合以校正球差。需要分别消除球差时，可采用非球面镜。但是因为抛物面镜的初级彗差比球面镜的大，多数用球面镜。如果装置中只能采用球面镜时，则只能控制相对孔径来使球差的弥散圆直径小于孔径的正常宽度容限a₀。而彗差则可以两个物镜一起考虑，本实用新型是通过改进的CTSI系统并通过控制相对孔径可将彗差校正到趋近于零。

校直光谱面：使谱面对于光谱调制反射镜面的最大偏离小于按瑞利(Rayliegh)准则导出的半焦深容限：

$\frac{1}{2}\mathrm{\ΔF}\≤2\mathrm{\λ}{\left(\frac{f^{\′}}{D}\right)}^2---\left(13\right)$

式中，ΔF为焦深，通常准直和成像系统的色差对谱面的弯曲起着决定性的作用。一般可使用准直和成像系统物镜的色差和子午场曲相互补偿的方法来获得平直的谱面。但是本实用新型中，因为光栅的横向放大率随波长的变化不大，不能采用上述相互补偿的方法。因此两个系统的物镜都要严格消色差，为此本实用新型采用凹面反射镜作为准直和成像系统物镜。

减小象散：因为采用凹面反射镜作为准直物镜和成像物镜，同样无法从物镜的结构参数上来减小象散。本实用新型通过控制相对孔径并通过自准直平面调制CTSI系统光谱调制整形装置结构减小象散。

六、系统装置的构型

CTSI光谱分解系统与CTSI光谱合成系统中色散元件、反射镜、光阑和它的几何像的中心均置于水平面内，即反射式水平成像光谱系统结构，而色散元件、反射镜、光阑和它的几何像的中心均置于垂直平面内，即反射式垂直成像光谱系统结构。CTSI光谱分解系统与CTSI光谱合成系统相对光谱调制反射镜呈水平对称，定义为反射式水平成像光谱调制系统。CTSI光谱分解系统与CTSI光谱合成系统相对光谱调制反射镜呈垂直对称，定义为反射式垂直成像光谱调制系统。由于光谱调制反射镜水平方向要产生寄生衍射，而垂直方向相当于平面镜反射，因此我们选择反射式垂直成像光谱调制系统结构。但是当调制反射镜调制台阶结构的宽度是中心波长的十倍以上时，光谱调制反射镜水平方向产生的寄生衍射小到观察不到，此时反射式水平成像光谱调制系统可以使用。具体装置的构型由装置安放的空间环境以及成像质量要求来决定。

实施例1：

本实施例中，光栅3采用可在大口径大能量条件下工作的可逆反射式定向平面闪耀光栅；平面光谱调制反射镜为多层介质膜微浮雕结构的平面光谱调制反射镜；所有凹面反射镜均要求在整个工作波段内严格消除色差、球差，彗差，像散和场曲，使谱像面对于平面光谱调制反射镜表面的最大偏离小于按瑞利准则导出的半焦深容限；第一光阑6为孔径光阑，第二光阑10为档光板与其在平面光谱调制反射镜5中的像构成的狭缝光阑；第一光阑6为入射光阑，同时也为出射光阑，第二光阑10为中间光阑。

按图1所示的自准直平面光谱调制CTSI系统光谱调制整形装置结构光路图布置好光学元件，本装置结构空间排布为CTSI光谱分解系统与由中心对称凹面反射镜4″反射后形成的CTSI光谱合成系统中的色散元件、反射镜、光阑和它的几何像的中心均置于水平面内，即本装置呈反射式水平成像平面光谱调制整形装置结构，如图2，装置设计要求、结构空间排布及元件参数如表1所示：

表1设计要求、结构空间排布及元件参数

自准直平面光谱调制CTSI光谱分解系统，按光路顺序描述如下：来自CPA前端0的激光光束经第一分光棱镜8起偏，以布鲁斯特角入射的p光通过1/4波片7，再通过第一凹面反射镜1和第二凹面反射镜2组成的像传递系统，在第一光阑6处聚焦，第一光阑成为光谱调制整形装置的输入孔径光阑，光束经第二凹面反射镜2变换后为平行光束照射到光栅3面上，构成准直系统。由于采用激光照明这里用像传递系统第一光阑6代替了入射狭缝。对于后面的系统而言，第一光阑6的孔径成为替代的实际的光源，限制着进入平面光谱调制自准直光谱调制整形装置的光束。由第一光阑6的孔径发出的光束经准直物镜第二凹面反射镜2后变成平行光束投向由光栅3构成的色散系统，接着衍射光经第三凹面反射镜4成像在第二光阑10的孔径处，至此构成一个完整的CTSI光谱分解系统。CTSI光谱分解系统以光路顺序表示为：6-2-3-4-5。

光谱调制系统，由第二光阑10与其上的多层介质膜微浮雕结构的平面光谱调制反射镜5构成光谱调制系统，平面光谱调制反射镜5由于采用多层介质膜微浮雕结构的平面光谱调制反射镜，可以做到在中心光谱附近实现幅度凹陷而相位保持不变；光谱调制系统要求谱像面对于平面光谱调制反射镜表面的最大偏离小于按瑞利(Rayliegh)准则导出的半焦深容限，在焦平面上的弥散斑直径2dr′，或是在色散方向的弥散宽度a′小于确定的数值a₀。平面光谱调制反射镜其反射光强分布则调制到所需光谱分布结构，如图9所示，图9中给出了在中心波长附近处进行不同深度光谱调制的结果，图9中，曲线1为输入啁啾脉冲光谱分布；曲线2为光谱整形多层介质微浮雕结构反射镜的反射调制曲线；曲线3为整形后脉冲光谱分布。

自准直平面光谱调制CTSI光谱合成系统，经平面调制反射镜5的反射光由中心对称凹面反射镜4″反射后再经原路返回，这样的系统类似自准直成像系统和色散系统。其特点是光路结构简单、紧凑，而且与利特罗(Littrow)系统不同，反射光通过前面的CTSI光谱分解系统6-2-3-4-5时，为一致成色散相减的光谱合成系统：即调制反射光由中心对称凹面反射镜4″经原路返回到第二光阑10及其上的平面光谱调制反射镜5再次调制，再经原路返回到第三凹面反射镜4，准直到光栅3形成色散相减的结构，光束平行入射到第二凹面反射镜2再聚焦到第一光阑6构成CTSI光谱合成系统；CTSI光谱合成系统以光路顺序表示为：4″-5-4-3-2-6。经CTSI光谱合成系统合成后的光束从第一光阑6出射；经第一凹面反射镜1变换为平行光束，完成光谱分解、调制及合成的啁啾脉冲通过1/4波片7后，偏振旋转90度，在第一分光棱镜8处全反射到与第一分光棱镜垂直的第二分光棱镜9起偏，滤掉杂散光后，输入到后级固体放大介质0′中放大。由于光线原路返回中，可以使剩余色散相减为零。通过自准直平面光谱调制整形装置调制后得到所需光谱分布结构，如图10所示，光谱调制整形结果为，在1053nm中心波长附近在保证相位不变的条件下，控制中心凹陷大小形状程度，相对幅度调制可达60％。

在本实施例中，所述的平面光谱调制反射镜5可以替换为微镜结构反射镜；或液晶光阀；或前加变栅距光栅的反射镜；或前加液晶空间光调制器的反射镜；或微机电薄膜反射镜MIMS；或连续变形反射镜；或Bimorph变形镜；或棱镜/波导耦合反射镜；或变栅距光栅反射镜，调制方法与本实例一样，同样可以实现啁啾脉冲光谱调制整形目的，并得到所需光谱分布结构。

实施例2：

本实施例中，光栅3采用可在大口径大能量条件下工作的可逆反射式定向负一级平面闪耀光栅；平面光谱调制反射镜为多层介质膜微浮雕结构的平面光谱调制反射镜；所有凹面反射镜均要求在整个工作波段内严格消除色差、球差，彗差，像散和场曲，使谱像面对于平面光谱调制反射镜表面的最大偏离小于按瑞利准则导出的半焦深容限；第一光阑6为孔径光阑，第二光阑10为档光板与其在平面光谱调制反射镜5中的像构成的狭缝光阑；第一光阑6为入射光阑，同时也为出射光阑，第二光阑10为中间光阑。

按图1所示的自准直平面光谱调制CTSI系统光谱调制整形装置结构的光路图布置好光学元件，本装置结构空间排布为CTSI光谱分解系统与由中心对称凹面反射镜4″反射后形成的CTSI光谱合成系统的色散元件、反射镜、光阑和它的几何像的中心均置于垂直平面内，即本实用新型装置呈反射式垂直成像光谱调制整形装置结构，如图3和图4，装置设计要求、结构空间排布及元件参数如表2所示：

表2设计要求、结构空间排布及元件参数

自准直平面光谱调制CTSI光谱分解系统，按光路顺序描述如下：来自CPA前端0的激光光束经第一分光棱镜8起偏，以布鲁斯特角入射的p光通过1/4波片7，再通过第一凹面反射镜1和第二凹面反射镜2组成的像传递系统，在第一光阑6处聚焦，第一光阑成为光谱调制整形装置的输入孔径光阑，光束经第二凹面反射镜2变换后为平行光束照射到光栅3面上，构成准直系统。由于采用激光照明这里用像传递系统第一光阑6代替了入射狭缝。对于后面的系统而言，第一光阑6的孔径成为替代的实际的光源，限制着进入平面光谱调制自准直光谱调制整形装置的光束。由第一光阑6的孔径发出的光束经准直物镜第二凹面反射镜2后变成平行光束投向由光栅3构成的色散系统，接着衍射光经第三凹面反射镜4成像在第二光阑10的孔径处，至此构成一个完整的CTSI光谱分解系统。CTSI光谱分解系统以光路顺序表示为：6-2-3-4-5。

光谱调制系统，由第二光阑10与其上的多层介质膜微浮雕结构的平面光谱调制反射镜5构成光谱调制系统，平面光谱调制反射镜5由于采用多层介质膜微浮雕结构的平面光谱调制反射镜，可以做到在中心光谱附近实现幅度凹陷而相位保持不变；光谱调制系统要求谱像面对于平面光谱调制反射镜表面的最大偏离小于按瑞利(Rayliegh)准则导出的半焦深容限，在焦平面上的弥散斑直径2dr′，或是在色散方向的弥散宽度a′小于确定的数值a₀。平面光谱调制反射镜其反射光强分布则调制到所需光谱分布结构，如图9所示，图9中给出了在中心波长附近处进行不同深度光谱调制的结果，图9中，曲线1为输入啁啾脉冲光谱分布；曲线2为光谱整形多层介质微浮雕结构反射镜的反射调制曲线；曲线3为整形后脉冲光谱分布。

自准直平面光谱调制CTSI光谱合成系统，经平面调制反射镜5的反射光由中心对称凹面反射镜4″反射后再经原路返回，这样的系统类似自准直成像系统和色散系统。其特点是光路结构简单、紧凑，而且与利特罗(Littrow)系统不同，反射光通过前面的CTSI光谱分解系统6-2-3-4-5时，为一致成色散相减的光谱合成系统：即调制反射光由中心对称凹面反射镜4″经原路返回到第二光阑10及其上的平面光谱调制反射镜5再次调制，再经原路返回到第三凹面反射镜4，准直到光栅3形成色散相减的结构，光束平行入射到第二凹面反射镜2再聚焦到第一光阑6构成CTSI光谱合成系统；CTSI光谱合成系统以光路顺序表示为：4″-5-4-3-2-6。经CTSI光谱合成系统合成后的光束从第一光阑6出射；经第一凹面反射镜1变换为平行光束，完成光谱分解、调制及合成的啁啾脉冲通过1/4波片7后，偏振旋转90度，在第一分光棱镜8处全反射到与第一分光棱镜垂直的第二分光棱镜9起偏，滤掉杂散光后，输入到后级固体放大介质0′中放大。由于光线原路返回中，可以使剩余色散相减为零。通过自准直平面光谱调制整形装置调制后得到所需光谱分布结构，如图10所示，光谱调制整形结果为，在1053nm中心波长附近在保证相位不变的条件下，控制中心凹陷大小形状程度，相对幅度调制可达60％。

在本实施例中，所述的平面光谱调制反射镜5可以替换为微镜结构反射镜；或液晶光阀；或前加变栅距光栅的反射镜；或前加液晶空间光调制器的反射镜；或微机电薄膜反射镜MIMS；或连续变形反射镜；或Bimorph变形镜；或棱镜/波导耦合反射镜；或变栅距光栅反射镜，调制方法与本实例一样，同样可以实现啁啾脉冲光谱调制整形目的，并得到所需光谱分布结构。

实施例3：

本实施例中，光栅3采用可在大口径大能量条件下工作的可逆反射式定向平面闪耀光栅；平面光谱调制反射镜为多层介质膜微浮雕结构的平面光谱调制反射镜；所有凹面反射镜均要求在整个工作波段内严格消除色差、球差，彗差，像散和场曲，使谱像面对于平面光谱调制反射镜表面的最大偏离小于按瑞利准则导出的半焦深容限；第一光阑6为孔径光阑，第二光阑10为档光板与其在平面光谱调制反射镜5中的像构成的狭缝光阑；第一光阑6为入射光阑，同时也为出射光阑，第二光阑10为中间光阑。

按图1所示的自准直平面光谱调制CTSI系统光谱调制整形装置结构的光路图布置好光学元件。本装置结构空间排布为CTSI光谱分解系统与由中心对称凹面反射镜4″反射后形成的CTSI光谱合成系统的色散元件、反射镜、光阑和它的几何像的中心均置于水平平面内，即本实用新型装置呈反射式水平成像光谱系统，同时相对光谱调制反射镜成垂直对称系统的调制整形装置结构，如图5，装置设计要求、结构空间排布及元件参数如表3所示：

表3设计要求、结构空间排布及元件参数

自准直平面光谱调制CTSI光谱分解系统，按光路顺序描述如下：来自CPA前端0的激光光束经第一分光棱镜8起偏，以布鲁斯特角入射的p光通过1/4波片7，再通过第一凹面反射镜1和第二凹面反射镜2组成的像传递系统，在第一光阑6处聚焦，第一光阑成为光谱调制整形装置的输入孔径光阑，光束经第二凹面反射镜2变换后为平行光束照射到光栅3面上，构成准直系统。由于采用激光照明这里用像传递系统第一光阑6代替了入射狭缝。对于后面的系统而言，第一光阑6的孔径成为替代的实际的光源，限制着进入平面光谱调制自准直光谱调制整形装置的光束。由第一光阑6的孔径发出的光束经准直物镜第二凹面反射镜2后变成平行光束投向由光栅3构成的色散系统，接着衍射光经第三凹面反射镜4成像在第二光阑10的孔径处，至此构成一个完整的CTSI光谱分解系统。CTSI光谱分解系统以光路顺序表示为：6-2-3-4-5。

光谱调制系统，由第二光阑10与其上的多层介质膜微浮雕结构的平面光谱调制反射镜5构成光谱调制系统，平面光谱调制反射镜5由于采用多层介质膜微浮雕结构的平面光谱调制反射镜，可以做到在中心光谱附近实现幅度凹陷而相位保持不变；光谱调制系统要求谱像面对于平面光谱调制反射镜表面的最大偏离小于按瑞利(Rayliegh)准则导出的半焦深容限，在焦平面上的弥散斑直径2dr′，或是在色散方向的弥散宽度a′小于确定的数值a₀。平面光谱调制反射镜其反射光强分布则调制到所需光谱分布结构，如图9所示，图9中给出了在中心波长附近处进行不同深度光谱调制的结果，图9中，曲线1为输入啁啾脉冲光谱分布；曲线2为光谱整形多层介质微浮雕结构反射镜的反射调制曲线；曲线3为整形后脉冲光谱分布。

自准直平面光谱调制CTSI光谱合成系统，经平面调制反射镜5的反射光由中心对称凹面反射镜4″反射后再经原路返回，这样的系统类似自准直成像系统和色散系统。其特点是光路结构简单、紧凑，而且与利特罗(Littrow)系统不同，反射光通过前面的CTSI光谱分解系统6-2-3-4-5时，为一致成色散相减的光谱合成系统：即调制反射光由中心对称凹面反射镜4″经原路返回到第二光阑10及其上的平面光谱调制反射镜5再次调制，再原路返回到第三凹面反射镜4，准直到光栅3形成色散相减的结构，光束平行入射到第二凹面反射镜2再聚焦到第一光阑6构成CTSI光谱合成系统；CTSI光谱合成系统以光路顺序表示为：4″-5-4-3-2-6。经CTSI光谱合成系统合成后的光束从第一光阑6出射；经第一凹面反射镜1变换为平行光束，完成光谱分解、调制及合成的啁啾脉冲通过1/4波片7后，偏振旋转90度，在第一分光棱镜8处全反射到与第一分光棱镜垂直的第二分光棱镜9起偏，滤掉杂散光后，输入到后级固体放大介质0′中放大。由于光线原路返回中，可以使剩余色散相减为零。通过自准直平面光谱调制整形装置调制后得到所需光谱分布结构，如图10所示，光谱调制整形结果为，在1053nm中心波长附近在保证相位不变的条件下，控制中心凹陷大小形状程度，相对幅度调制可达60％。

在本实施例中，所述的平面光谱调制反射镜5可以替换为微镜结构反射镜；或液晶光阀；或前加变栅距光栅的反射镜；或前加液晶空间光调制器的反射镜；或微机电薄膜反射镜MIMS；或连续变形反射镜；或Bimorph变形镜；或棱镜/波导耦合反射镜；或变栅距光栅反射镜，调制方法与本实例一样，同样可以实现啁啾脉冲光谱调制整形目的，并得到所需光谱分布结构。

实施例4：

本实施例中，光栅3采用可在大口径大能量条件下工作的可逆反射式定向负一级平面闪耀光栅；平面光谱调制反射镜为多层介质膜微浮雕结构的平面光谱调制反射镜；所有凹面反射镜均要求在整个工作波段内严格消除色差、球差，彗差，像散和场曲，使谱像面对于平面光谱调制反射镜表面的最大偏离小于按瑞利准则导出的半焦深容限；第一光阑6为孔径光阑，第二光阑10为档光板与其在平面光谱调制反射镜5中的像构成的狭缝光阑；第一光阑6为入射光阑，同时也为出射光阑，第二光阑10为中间光阑。

按图1所示的自准直平面光谱调制CTSI系统光谱调制整形装置结构的光路图布置好光学元件，本装置结构空间排布为CTSI光谱分解系统与由中心对称凹面反射镜4″反射后形成的CTSI光谱合成系统的色散元件、反射镜、光阑和它的几何像的中心均置于垂直平面内，即本实用新型装置呈反射式垂直成像光谱系统，同时相对光谱调制反射镜成水平对称系统的调制整形装置结构，如图3和图6，装置设计要求、结构空间排布及元件参数如表4所示：

表4设计要求、结构空间排布及元件参数

自准直平面光谱调制CTSI光谱分解系统，按光路顺序描述如下：来自CPA前端0的激光光束经第一分光棱镜8起偏，以布鲁斯特角入射的p光通过1/4波片7，再通过第一凹面反射镜1和第二凹面反射镜2组成的像传递系统，在第一光阑6处聚焦，第一光阑成为光谱调制整形装置的输入孔径光阑，光束经第二凹面反射镜2变换后为平行光束照射到光栅3面上，构成准直系统。由于采用激光照明这里用像传递系统第一光阑6代替了入射狭缝。对于后面的系统而言，第一光阑6的孔径成为替代的实际的光源，限制着进入平面光谱调制自准直光谱调制整形装置的光束。由第一光阑6的孔径发出的光束经准直物镜第二凹面反射镜2后变成平行光束投向由光栅3构成的色散系统，接着衍射光经第三凹面反射镜4成像在第二光阑10的孔径处，至此构成一个完整的CTSI光谱分解系统。CTSI光谱分解系统以光路顺序表示为：6-2-3-4-5。

光谱调制系统，由第二光阑10与其上的多层介质膜微浮雕结构的平面光谱调制反射镜5构成光谱调制系统，光谱调制反射镜5由于采用多层介质膜微浮雕结构的平面光谱调制反射镜，可以做到在中心光谱附近实现幅度凹陷而相位保持不变；光谱调制系统要求谱像面对于平面光谱调制反射镜表面的最大偏离小于按瑞利(Rayliegh)准则导出的半焦深容限，在焦平面上的弥散斑直径2dr′，或是在色散方向的弥散宽度a′小于确定的数值a₀。平面光谱调制反射镜其反射光强分布则调制到所需光谱分布结构，如图9所示，图9中给出了在中心波长附近处进行不同深度光谱调制的结果，图9中，曲线1为输入啁啾脉冲光谱分布；曲线2为光谱整形多层介质微浮雕结构反射镜的反射调制曲线；曲线3为整形后脉冲光谱分布。

自准直平面光谱调制CTSI光谱合成系统，经平面调制反射镜5的反射光由中心对称凹面反射镜4″反射后再经原路返回，这样的系统类似自准直成像系统和色散系统。其特点是光路结构简单、紧凑，而且与利特罗(Littrow)系统不同，反射光通过前面的CTSI光谱分解系统6-2-3-4-5时，为一致成色散相减的光谱合成系统：即调制反射光由中心对称凹面反射镜4″经原路返回到第二光阑10及其上的平面光谱调制反射镜5再次调制，再原路返回到第三凹面反射镜4，准直到光栅3形成色散相减的结构，光束平行入射到第二凹面反射镜2再聚焦到第一光阑6构成CTSI光谱合成系统；CTSI光谱合成系统以光路顺序表示为：4″-5-4-3-2-6。经CTSI光谱合成系统合成后光束从第一光阑6出射；经第一凹面反射镜1变为平行光束，完成光谱分解、调制及合成的啁啾脉冲通过1/4波片7后，偏振旋转90度，在第一分光棱镜8处全反射到与第一分光棱镜垂直的第二分光棱镜9起偏，滤掉杂散光后，输入到后级固体放大介质0′中放大。由于光线原路返回中，可以使剩余色散相减为零。通过自准直平面光谱调制光谱调制整形装置调制后得到所需光谱分布结构，如图10所示，光谱调制整形结果为，在1053nm中心波长附近在保证相位不变的条件下，控制中心凹陷大小形状程度，相对幅度调制可达60％。

在本实施例中，所述的平面光谱调制反射镜5可以替换为微镜结构反射镜；或液晶光阀；或前加变栅距光栅的反射镜；或前加液晶空间光调制器的反射镜；或微机电薄膜反射镜MIMS；或连续变形反射镜；或Bimorph变形镜；或棱镜/波导耦合反射镜；或变栅距光栅反射镜，调制方法与本实例一样，同样可以实现啁啾脉冲光谱调制整形目的，并得到所需光谱分布结构。

实施例5：

本实施例中，光栅3采用可在大口径大能量条件下工作的可逆反射式定向正一级平面闪耀光栅；平面光谱调制反射镜为多层介质膜微浮雕结构的平面光谱调制反射镜；所有凹面反射镜均要求在整个工作波段内严格消除色差、球差，彗差，像散和场曲，使谱像面对于平面光谱调制反射镜表面的最大偏离小于按瑞利准则导出的半焦深容限；第一光阑6为孔径光阑，第二光阑10为档光板与其在平面光谱调制反射镜5中的像构成的狭缝光阑；第一光阑6为入射光阑，同时也为出射光阑，第二光阑10为中间光阑。

按图1所示的自准直平面光谱调制CTSI系统光谱调制整形装置结构的光路图布置好光学元件，本装置结构空间排布为CTSI光谱分解系统与由中心对称凹面反射镜4″反射后形成的CTSI光谱合成系统的色散元件、反射镜、光阑和它的几何像的中心均置于垂直平面内，即本实用新型装置呈反射式垂直成像光谱系统，同时相对光谱调制反射镜成水平对称系统的调制整形装置结构，如图3和图7，装置设计要求、结构空间排布及元件参数如表5所示：

表5设计要求、结构空间排布及元件参数

自准直平面光谱调制CTSI光谱分解系统，按光路顺序描述如下：来自CPA前端0的激光光束经第一分光棱镜8起偏，以布鲁斯特角入射的p光通过1/4波片7，再通过第一凹面反射镜1和第二凹面反射镜2组成的像传递系统，在第一光阑6处聚焦，第一光阑成为光谱调制整形装置的输入孔径光阑，光束经第二凹面反射镜2变换后为平行光束照射到光栅3面上，构成准直系统。由于采用激光照明这里用像传递系统第一光阑6代替了入射狭缝。对于后面的系统而言，第一光阑6的孔径成为替代的实际的光源，限制着进入平面光谱调制自准直光谱调制整形装置的光束。由第一光阑6的孔径发出的光束经准直物镜第二凹面反射镜2后变成平行光束投向由光栅3构成的色散系统，接着衍射光经第三凹面反射镜4成像在第二光阑10的孔径处，至此构成一个完整的CTSI光谱分解系统。CTSI光谱分解系统以光路顺序表示为：6-2-3-4-5。

光谱调制系统，由第二光阑10与其上的多层介质膜微浮雕结构的平面光谱调制反射镜5构成光谱调制系统，光谱调制反射镜5由于采用多层介质膜微浮雕结构的平面光谱调制反射镜，可以做到在中心光谱附近实现幅度凹陷而相位保持不变；光谱调制系统要求谱像面对于平面光谱调制反射镜表面的最大偏离小于按瑞利(Rayliegh)准则导出的半焦深容限，在焦平面上的弥散斑直径2dr′，或是在色散方向的弥散宽度a′小于确定的数值a₀。平面光谱调制反射镜其反射光强分布则调制到所需光谱分布结构，如图9所示，图9中给出了在中心波长附近处进行不同深度光谱调制的结果，图9中，曲线1为输入啁啾脉冲光谱分布；曲线2为光谱整形多层介质微浮雕结构反射镜的反射调制曲线；曲线3为整形后脉冲光谱分布。

自准直平面光谱调制CTSI光谱合成系统，经平面调制反射镜5的反射光由中心对称凹面反射镜4″反射后再经原路返回，这样的系统类似自准直成像系统和色散系统。其特点是光路结构简单、紧凑，而且与利特罗(Littrow)系统不同，反射光通过前面的CTSI光谱分解系统6-2-3-4-5时，为一致成色散相减的光谱合成系统：即调制反射光由中心对称凹面反射镜4″经原路返回到第二光阑10及其上的平面光谱调制反射镜5再次调制，再原路返回到第三凹面反射镜4，准直到光栅3形成色散相减的结构，光束平行入射到第二凹面反射镜2再聚焦到第一光阑6构成CTSI光谱合成系统；CTSI光谱合成系统以光路顺序表示为：4″-5-4-3-2-6。经CTSI光谱合成系统合成后光束从第一光阑6出射；经第一凹面反射镜1变为平行光束，完成光谱分解、调制及合成的啁啾脉冲通过1/4波片7后，偏振旋转90度，在第一分光棱镜8处全反射到与第一分光棱镜垂直的第二分光棱镜9起偏，滤掉杂散光后，输入到后级固体放大介质0′中放大。由于光线原路返回中，可以使剩余色散相减为零。通过自准直平面光谱调制光谱调制整形装置调制后得到所需光谱分布结构，如图10所示，光谱调制整形结果为，在1053nm中心波长附近在保证相位不变的条件下，控制中心凹陷大小形状程度，相对幅度调制可达60％。

在本实施例中，所述的平面光谱调制反射镜5可以替换为微镜结构反射镜；或液晶光阀；或前加变栅距光栅的反射镜；或前加液晶空间光调制器的反射镜；或微机电薄膜反射镜MIMS；或连续变形反射镜；或Bimorph变形镜；或棱镜/波导耦合反射镜；或变栅距光栅反射镜，调制方法与本实例一样，同样可以实现啁啾脉冲光谱调制整形目的，并得到所需光谱分布结构。

实施例6：

本实施例中，光栅3采用可在大口径大能量条件下工作的可逆反射式定向正一级平面闪耀光栅；平面光谱调制反射镜为多层介质膜微浮雕结构的平面光谱调制反射镜；所有凹面反射镜均要求在整个工作波段内严格消除色差、球差，彗差，像散和场曲，使谱像面对于平面光谱调制反射镜表面的最大偏离小于按瑞利准则导出的半焦深容限；第一光阑6为孔径光阑，第二光阑10为档光板与其在平面光谱调制反射镜5中的像构成的狭缝光阑；第一光阑6为入射光阑，同时也为出射光阑，第二光阑10为中间光阑。

按图1所示的自准直平面光谱调制CTSI系统光谱调制整形装置结构的光路图布置好光学元件，本装置结构空间排布为CTSI光谱分解系统与由中心对称凹面反射镜4″反射后形成的CTSI光谱合成系统的色散元件、反射镜、光阑和它的几何像的中心均置于垂直平面内，即本实用新型装置呈反射式垂直成像光谱系统，同时相对光谱调制反射镜成水平对称系统的调制整形装置结构，如图3和图8，装置设计要求、结构空间排布及元件参数如表6所示：

表6设计要求、结构空间排布及元件参数

自准直平面光谱调制CTSI光谱分解系统，按光路顺序描述如下：来自CPA前端0的激光光束经第一分光棱镜8起偏，以布鲁斯特角入射的p光通过1/4波片7，再通过第一凹面反射镜1和第二凹面反射镜2组成的像传递系统，在第一光阑6处聚焦，第一光阑成为光谱调制整形装置的输入孔径光阑，光束经第二凹面反射镜2变换后为平行光束照射到光栅3面上，构成准直系统。由于采用激光照明这里用像传递系统第一光阑6代替了入射狭缝。对于后面的系统而言，第一光阑6的孔径成为替代的实际的光源，限制着进入平面光谱调制自准直光谱调制整形装置的光束。由第一光阑6的孔径发出的光束经准直物镜第二凹面反射镜2后变成平行光束投向由光栅3构成的色散系统，接着衍射光经第三凹面反射镜4成像在第二光阑10的孔径处，至此构成一个完整的CTSI光谱分解系统。CTSI光谱分解系统以光路顺序表示为：6-2-3-4-5。

光谱调制系统，由第二光阑10与其上的多层介质膜微浮雕结构的平面光谱调制反射镜5构成光谱调制系统，光谱调制反射镜5由于采用多层介质膜微浮雕结构的平面光谱调制反射镜，可以做到在中心光谱附近实现幅度凹陷而相位保持不变；光谱调制系统要求谱像面对于平面光谱调制反射镜表面的最大偏离小于按瑞利(Rayliegh)准则导出的半焦深容限，在焦平面上的弥散斑直径2dr′，或是在色散方向的弥散宽度a′小于确定的数值a₀。平面光谱调制反射镜其反射光强分布则调制到所需光谱分布结构，如图9所示，图9中给出了在中心波长附近处进行不同深度光谱调制的结果，图9中，曲线1为输入啁啾脉冲光谱分布；曲线2为光谱整形多层介质微浮雕结构反射镜的反射调制曲线；曲线3为整形后脉冲光谱分布。

自准直平面光谱调制CTSI光谱合成系统，经平面调制反射镜5的反射光由中心对称凹面反射镜4″反射后再经原路返回，这样的系统类似自准直成像系统和色散系统。其特点是光路结构简单、紧凑，而且与利特罗(Littrow)系统不同，反射光通过前面的CTSI光谱分解系统6-2-3-4-5时，为一致成色散相减的光谱合成系统：即调制反射光由中心对称凹面反射镜4″经原路返回到第二光阑10及其上的平面光谱调制反射镜5再次调制，再原路返回到第三凹面反射镜4，准直到光栅3形成色散相减的结构，光束平行入射到第二凹面反射镜2再聚焦到第一光阑6构成CTSI光谱合成系统；CTSI光谱合成系统以光路顺序表示为：4″-5-4-3-2-6。经CTSI光谱合成系统合成后光束从第一光阑6出射；经第一凹面反射镜1变为平行光束，完成光谱分解、调制及合成的啁啾脉冲通过1/4波片7后，偏振旋转90度，在第一分光棱镜8处全反射到与第一分光棱镜垂直的第二分光棱镜9起偏，滤掉杂散光后，输入到后级固体放大介质0′中放大。由于光线原路返回中，可以使剩余色散相减为零。通过自准直平面光谱调制光谱调制整形装置调制后得到所需光谱分布结构，如图10所示，光谱调制整形结果为，在1053nm中心波长附近在保证相位不变的条件下，控制中心凹陷大小形状程度，相对幅度调制可达60％。

在本实施例中，所述的平面光谱调制反射镜5可以替换为微镜结构反射镜；或液晶光阀；或前加变栅距光栅的反射镜；或前加液晶空间光调制器的反射镜；或微机电薄膜反射镜MIMS；或连续变形反射镜；或Bimorph变形镜；或棱镜/波导耦合反射镜；或变栅距光栅反射镜，调制方法与本实例一样，同样可以实现啁啾脉冲光谱调制整形目的，并得到所需光谱分布结构。

Claims (10)

1.一种用于啁啾脉冲放大的自准直平面调制光谱调制整形装置，其特征在于，按设计光路顺序描述，包括第一分光棱镜(8)，第二分光棱镜(9)，和1/4波片(7)；包括由第一凹面反射镜(1)，第一光阑(6)和第二凹面反射镜(2)构成照明系统；进一步包括由第一光阑(6)，第二凹面反射镜(2)，光栅(3)，第三凹面反射镜(4)及第二光阑(10)构成自准直平面调制CTSI光谱分解系统；由第二光阑(10)与其上的平面光谱调制反射镜(5)构成光谱调制系统；由中心对称凹面反射镜(4″)，第二光阑(10)及其上的平面光谱调制反射镜(5)，第三凹面反射镜(4)，光栅(3)，第二凹面反射镜(2)及第一光阑(6)构成自准直平面调制CTSI光谱合成系统；来自CPA前端(0)的激光光束由第一分光棱镜起偏，通过1/4波片及第一凹面反射镜，经第一凹面反射镜变为平行光束，通过上述光谱分解系统，光谱调制系统及光谱合成系统完成光谱分解、调制及合成的啁啾脉冲再通过1/4波片，偏振旋转90度，在第一分光棱镜处全反射到第二分光棱镜起偏，然后输入到后级固体放大介质(0′)中放大。

2.根据权利要求1所述的自准直平面光谱调制整形装置，其特征在于，所述光栅(3)采用可逆反射式定向平面闪耀光栅。

3.根据权利要求1所述的自准直平面光谱调制整形装置，其特征在于，所述凹面反射镜均要求在整个工作波段内严格消除色差、球差，彗差，像散和场曲，使谱像面对于平面光谱调制反射镜表面的最大偏离小于按瑞利准则导出的半焦深容限。

4.根据权利要求1所述的自准直平面光谱调制整形装置，其特征在于，所述中心对称凹面反射镜(4″)与第三凹面反射镜(4)相对光谱调制反射镜成对称，由中心对称凹面反射镜(4″)反射经原路返回构成自准直光路系统。

5.根据权利要求1所述的自准直平面光谱调制整形装置，其特征在于，所述第一光阑(6)为实共焦望远镜像传递照明系统的光阑；所述照明系统在保证正常宽度要求的相干同相入射的条件下，不改变来自CPA前端的激光束的时间和空间分布，与色散系统和成像系统的相对孔径匹配，且保证通光口径能充满色散系统的口径；所述第一光阑(6)采用孔径光阑，第二光阑(10)为档光板与其在平面光谱调制反射镜(5)中的像构成的狭缝光阑。所有光阑均应满足孔径的正常宽度a₀条件，或满足CTSI光谱分解系统和CTSI光谱合成系统能达到的衍射半宽度a₀条件，同时第二光阑(10)与第一光阑(6)应通过激光啁啾脉冲带宽内所有频谱的光。

6.根据权利要求1所述的自准直平面光谱调制整形装置，其特征在于，所述光学元件全部选用相对色散元件成对称型的成像系统，或者相对色散元件成不对称补偿像差的成像系统。

7.根据权利要求1所述的自准直平面光谱调制整形装置，其特征在于，所述平面光谱调制反射镜(5)采用多层介质膜微浮雕结构的平面光谱调制反射镜；或微镜结构反射镜；或液晶光阀；或前加变栅距光栅的反射镜；或前加液晶空间光调制器的反射镜；或微机电薄膜反射镜MIMS；或连续变形反射镜；或Bimorph变形镜；或棱镜/波导耦合反射镜；或变栅距光栅反射镜。

8.根据权利要求1所述的自准直平面光谱调制整形装置，其特征在于，所述第一分光棱镜(8)与第二分光棱镜(9)位置相互垂直。

9.根据权利要求1所述的光谱调制整形装置，其特征在于，所述CTSI光谱分解系统和CTSI光谱合成系统中的凹面反射镜相对色散元件呈反射式水平成像光谱系统，或呈反射式垂直成像光谱系统。

10.根据权利要求1所述的光谱调制整形装置，其特征在于，所述CTSI光谱分解系统与CTSI光谱合成系统相对平面光谱调制反射(5)镜呈反射式水平成像光谱调制系统，或呈反射式垂直成像光谱调制系统。

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