CN201707463U - 螺旋闪耀光栅 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种螺旋型闪耀光栅。本实用新型的螺旋闪耀光栅由多条放射状刻线构成，放射状刻线构成闪耀结构，光栅表面镀有金膜；所述光栅的外径根据入射激光光束的口径确定，所述光栅的内径根据可加工的最大线密度确定；所述光栅的每个微观区域满足的光栅衍射方程为2dsinγ=λB，d为光栅周期，γ为闪耀角，λB为闪耀波长；相邻的放射状刻线之间的高度差为λB/2，光栅总高差为：MλB/2；所述光栅的中心轴与入射激光光束的中心轴共线。本实用新型用于实现高功率激光装置远场的全方位匀滑，匀滑空间频率丰富。
Description
技术领域
本实用新型属于光学色散元件技术领域，具体涉及一种螺旋型闪耀光栅，本实用新型可用于惯性约束聚变激光驱动器的谱色散平滑单元。
背景技术
目前，公知的闪耀光栅大多是平面反射式闪耀光栅，平面反射式闪耀光栅能使光束能量几乎全部集中到所需的某一级光谱上，通常可使该级光的衍射效率大于90%。闪耀光栅在惯性约束聚变（Inertial Confinement Fusion, ICF）激光驱动器中的一个特殊应用是在光谱色散平滑技术（Smoothing by Spectral Dispersion，SSD）中用来作为光谱角色散元件。
在用于惯性约束聚变研究的高功率固体激光驱动器中，强激光束的传输、放大与控制问题一直是强激光物理与技术研究的重点。为进一步提高装置的负载能力和靶面光强分布的均匀性，有必要发展新的束匀滑技术来改善光束质量。目前，国际上应用于高功率固体激光装置的主流束匀滑技术是光谱色散平滑技术。美国文献《采用对调频光进行角色散改进激光束均匀性》（J. Appl. Phys., vol. 66, p. 3456, 1989）公开了SSD技术的原理和应用方式，该技术路线可在各类空域束匀滑元件的基础上利用时域匀滑进一步改善靶面辐照均匀性。时域匀滑的概念是使焦斑随时间变化发生扫动，由于靶有一定的响应时间，从而在响应时间内仅对焦斑的时间积分效果敏感。目前，公知的光谱色散平滑技术由调频脉冲产生单元、线性闪耀光栅光谱角色散单元和相位板单元构成，其优点是在光栅的像传递面上只有相位发生改变，而近场强度保持不变，因此避免了自聚焦和非线性光谱展宽等可能限制高功率固体激光装置放大的不利因素；其缺点是仅能对焦斑中某些特定空间频率的调制进行平滑，且仅在垂直于线性闪耀光栅的刻线方向上对焦斑有匀滑作用。
发明内容
为了弥补线性闪耀光栅只在一个直线方向实现束匀滑的不足，本实用新型提出一种螺旋闪耀光栅来实现对焦斑二维平面内圆周方向更大范围空间调制的匀滑。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：螺旋闪耀光栅由多条放射状刻线构成以实现调频脉冲的圆周扫动；放射状刻线构成闪耀结构以实现光束沿闪耀角返回，从而保证色散后激光光束的可传输性；为了保证光束有较高的衍射效率，光栅表面镀有金膜；为保证光束的中心对称传输特性，所述光栅的中心轴与入射激光光束的中心轴共线；所述入射激光光束为圆偏振光。
所述光栅的外径根据入射激光光束的口径确定；所述光栅的内径根据可加工的最大线密度确定。螺旋闪耀光栅最外环一周带来的光束截面内最大时间延迟与调频脉冲一个调制周期的时间之比定义为该光栅引入的色循环数（N c）。定义螺旋闪耀光栅一周的刻线总数为M。
所述光栅的每个微观区域满足的光栅衍射方程为2dsinγ=λ B，d为该位置的光栅周期，γ为该位置的闪耀角，λ B为闪耀波长。
由附图2得到每条刻线与相邻刻线相差dsinγ高度，由闪耀光栅的衍射方程得到，对于一级衍射光相邻的放射状刻线之间的高度差为λ B/2，光栅总高差为：Mλ B/2。
由2dsin γ=λ B还可以得到：螺旋闪耀光栅沿刻线由外向里，光栅周期d逐渐变小，闪耀角γ逐渐变大。
本实用新型的有益效果是，通过螺旋闪耀光栅实现光束的圆扫描，可以实现高功率激光装置远场的全方位匀滑。相比传统的二维SSD本实用新型结构简单，造价低廉，匀滑方向更加全面，可匀滑的空间频率更加丰富。对于其他需要作远场束匀滑的研究领域，该技术也具有潜在的应用价值。
附图说明
下面结合附图对本实用新型作进一步说明。
图1为本实用新型的三维效果图。
图2为本实用新型的放射状刻线局部剖面示意图。
图3为本实用新型在光路中的应用方式及构成的光谱角色散单元。
图4为不加束平滑措施时高功率固体激光装置输出的典型焦斑。
图5为采用调频脉冲和螺旋闪耀光栅后的时间积分焦斑。
图中，1. 螺旋闪耀光栅 2. 棒状放大器 3. 1/4波片 4. 第一偏振片 5. 45度转子 6. 法拉第旋转器 7. 第二偏振片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1是螺旋闪耀光栅的三维效果图。采用螺旋闪耀光栅时，光栅色散可看成距离中心 处的普通闪耀光栅在圆周切线方向上对光束作光谱角色散。
图2是螺旋闪耀光栅的放射状刻线局部剖面示意图。图中d为光栅周期，γ为放射状刻线与螺旋上升基底之间的夹角，即闪耀角。
假设螺旋闪耀光栅对应于光束口径最外环（半径R 1处）的线数为L 1，则由
，半径R处的光栅常数d为
若光束以Littrow角入射，则
即光栅角色散
是与R有关的量，同时色循环数N c（
=t D/D，t D为光栅引入的时间延迟，D为光束口径）也随着半径R变化。光栅色散方向是极坐标中与极角有关的量，且总是在垂直于极角的方向上，即垂直于光栅刻线。对于螺旋闪耀光栅中心无法加工的部分，让光束透过，不加光谱角色散。
图3给出了螺旋闪耀光栅在光路中的一种应用方式及构成的光谱角色散单元。在光路上依次设置偏振片7、法拉第旋转器6、45度转子5、偏振片4、1/4波片3、棒状放大器2、螺旋闪耀光栅1。光束在经过上述单程传输后，偏振态由平行于纸面的P光在螺旋闪耀光栅前旋转为圆偏振光，这样使得除中心外光束截面上每个点的偏振态均为垂直于径向，即垂直于螺旋闪耀光栅的刻线方向。螺旋闪耀光栅对光束进行光谱角色散，并使光束沿入射光的方向返回。在经过1/4波片3后，偏振态变为垂直于纸面的竖直偏振光，并由偏振片4导出。这样便实现了光束的导入和导出，并在出射光空间截面上引入了沿圆周方向的光谱角色散。
这里采用啁啾堆积脉冲对螺旋闪耀光栅的束匀滑特性进行说明。采用带宽1.2nm、脉宽100ps、脉冲间延时为70ps的啁啾脉冲堆积获得调频激光脉冲，让方光束的外接圆对应0.5个色循环，即外接圆处的光束经光谱角色散、聚焦能达到最佳匀滑，得出22mm×22mm方光束外接圆处螺旋闪耀光栅刻线密度为145.3 l/mm，总刻线数M为14203条，螺旋闪耀光栅外径为31.113mm。
由光栅方程，得每条刻线与相邻刻线相差高度：
=526.5nm，光栅总高差为：M 
=7.477mm。
为了加工满足要求的光栅基底，可以得到角度每旋过1度基底上升的高度为：
图4为不加束匀滑措施时装置输出的典型焦斑，可见焦斑上存在大量的高频调制，这对物理实验会产生不利的影响。图5为结合线性调频脉冲和螺旋闪耀光栅进行光谱色散平滑后获得的时间积分焦斑。比较图4和图5可以看到采用螺旋闪耀光栅对调频脉冲进行光谱角色散后，焦斑的束匀滑效果优良，这对于抑制焦斑上对物理实验不利且不易由相位板匀滑的高频调制将非常有用。
Claims (2)
1.一种螺旋闪耀光栅，其特征在于：所述的光栅由多条放射状刻线构成，放射状刻线构成闪耀结构，光栅表面镀有金膜；所述光栅的外径根据入射激光光束的口径确定，所述光栅的内径根据可加工的最大线密度确定；所述光栅的每个微观区域满足的光栅衍射方程为2dsinγ=λ B，d为光栅周期，γ为闪耀角，λ B为闪耀波长；相邻的放射状刻线之间的高度差为λ B/2，光栅总高差为：Mλ B/2；所述光栅的中心轴与入射激光光束的中心轴共线。
2.根据权利要求1所述的螺旋闪耀光栅，其特征在于：所述入射激光光束为圆偏振光。
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| CN105008969A (zh) * | 2013-03-05 | 2015-10-28 | 拉姆伯斯公司 | 用于高分辨率无透镜光学传感的具有奇对称的相位光栅 |
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