CN204441700U - 一种纵向局部扩束三倍频激光终端光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及高功率激光领域，尤其涉及一种纵向局部扩束三倍频激光终端光学系统，包括：沿入射激光传输方向依次排布的二倍频晶体、第一柱面聚焦透镜、三倍频晶体和第二柱面聚焦透镜，其中，所述三倍频晶体和第二柱面聚焦透镜均倾斜设置，且所述三倍频晶体沿其竖直旋转轴倾斜，所述第二柱面聚焦透镜沿其水平旋转轴倾斜，所述三倍频晶体的竖直旋转轴和第二柱面聚焦透镜的水平旋转轴相互正交。本实用新型提供了一种既能够实现局部扩束降低三倍频激光平均通量，缓解严重的紫外损伤问题，又能够节省实施成本和降低系统复杂性的高能量三倍频激光终端光学系统。

Description

一种纵向局部扩束三倍频激光终端光学系统

技术领域

本实用新型涉及高功率激光领域，尤其涉及一种纵向局部扩束三倍频激光终端光学系统。

背景技术

惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion,ICF)是实现可控热核聚变的有效途径之一，世界各大国均在积极开展相关研究。目前已建成和正在建造的有多台大型激光装置用于ICF研究，例如美国NIF装置，法国LMJ装置，中国神光系列装置等。由于钕玻璃激光具有输出大能量且易于控制的特点，所以大部分装置都基于钕玻璃激光进行设计。为了抑制打靶过程中的激光等离子体不稳定(Laser Plasam Instablity,LPI)问题，需要将钕玻璃近红外激光进行频率转换，变成波长更短的三倍频紫外激光，但是近期各装置的运行均暴露出一个严重的工程问题，三倍频激光终端光学系统(主要完成频率转换和光束聚焦功能)的紫外段光学元件损伤严重，增加了装置的运行成本，降低了装置的运行效率。实际上，装置基频段光学元件的运行情况则要好得多，可见存在基频段与三倍频段光学元件负载不匹配的问题，为了解决这个问题，最简单也是最有效的办法是对三倍频激光终端光学系统进行扩束，降低三倍频激光平均通量，但是扩束往往会带来成本和系统复杂性的显著增加，实施难度很大，本专利的提出正是为了解决这个问题。

实用新型内容

针对上述技术问题，本实用新型设计开发了一种纵向局部扩束三倍频激光终端光学系统，目的在于提供一种既能够实现局部扩束，降低三倍频激光平均通量，缓解严重的紫外损伤问题，又能够节省实施成本和降低系统复杂性的高能量三倍频激光终端光学系统。

本实用新型提供的技术方案为：

一种纵向局部扩束三倍频激光终端光学系统，包括：

沿入射激光传输方向依次排布的二倍频晶体、第一柱面聚焦透镜、三倍频晶体和第二柱面聚焦透镜，

其中，所述三倍频晶体和第二柱面聚焦透镜均倾斜设置，且所述三倍频晶体沿其竖直旋转轴倾斜，所述第二柱面聚焦透镜沿其水平旋转轴倾斜，所述三倍频晶体的竖直旋转轴和第二柱面聚焦透镜的水平旋转轴相互正交。将三倍频晶体和第二柱面聚焦透镜大角度倾斜使用，能够显著增加透射光束在光学元件表面和体内的光束面积，实现三倍频激光终端光学系统负载瓶颈段的等效局部扩束，降低三倍频激光平均通量，从而改善三倍频光学元件的损伤情况，增大三倍频激光终端光学系统的输出能力；相比传统的横向系统扩束设计，本实用新型只针对三倍频激光终端光学系统必要的光学元件倾斜，实现局部扩束，能够降低实施成本和系统复杂性。

优选的是，所述的纵向局部扩束三倍频激光终端光学系统中，所述三倍频晶体的倾斜方向为三倍频晶体的o轴方向，所述第二柱面聚焦透镜的倾斜方向平行于三倍频晶体的e轴方向。这样对于三倍频段的第二柱面聚焦透镜及其后面的光学元件来说，基频和三倍频激光是p偏振，二倍频激光是s偏振，它们即使不镀膜，基频和三倍频激光也能高效透射，二倍频激光有一定的反射而进行频率分离，从而有效避免了真空环境下光学元件膜层退化的问题。而且光学元件大角度倾斜透射，使光学元件表面剩余反射激光不会聚产生损伤其它光学元件的鬼光，就直接被侧壁吸收，从而实现了“无鬼光”的终端光学系统。

优选的是，所述的纵向局部扩束三倍频激光终端光学系统中，所述第一柱面聚焦透镜的聚焦方向与所述三倍频晶体的o轴方向平行。将第一柱面聚焦透镜设置在三倍频晶体前，利用了三倍频晶体对o轴方向光束发散角不敏感的特点，不影响三倍频转换效率，同时能够减少三倍频段光学元件的数量和厚度，有利于缓解激光损伤问题。

优选的是，所述的纵向局部扩束三倍频激光终端光学系统中，所述第二柱面聚焦透镜后还设置有屏蔽片，所述屏蔽片的倾斜方向平行于所述第二柱面聚焦透镜的倾斜方向。聚焦激光经屏蔽片射出，屏蔽片阻挡出射激光打靶产生的碎片，对整个系统起到保护作用。

优选的是，所述的纵向局部扩束三倍频激光终端光学系统中，所述二倍频晶体前还设置有真空窗口，入射激光经所述真空窗口进入所述二倍频晶体中。真空窗口密封激光打靶需要的高真空环境。

优选的是，所述的纵向局部扩束三倍频激光终端光学系统中，所述入射激光为钕玻璃近红外激光。

优选的是，所述的纵向局部扩束三倍频激光终端光学系统中，所述第一柱面聚焦透镜和第二柱面聚焦透镜的聚焦方向正交设置。相比于传统设计聚焦采用旋转对称的球面或者非球面透镜，将一束平行激光聚焦到一点。本实用新型聚焦采用两块柱面聚焦透镜，柱面聚焦透镜的表面是柱面，而非球面，每块都能够将一束平行激光聚焦成一线，两块正交放置才能聚焦成一点。使用两个正交方向设置的柱面透镜实现组合聚焦，将二维聚焦问题简化为一维问题，这样第二柱面聚焦透镜沿聚焦方向进行大角度倾斜透射，对聚焦性能影响较小，且光学元件易于加工。

本实用新型所述的纵向局部扩束三倍频激光终端光学系统可以实现频率转换、频率分离、光束聚焦、焦斑控制、测量取样、真空密封、碎片防护等七大功能。本实用新型利用光学元件大角度倾斜使用，能够显著增加透射光束在光学元件表面和体内光束面积的特点，实现三倍频激光终端光学系统负载瓶颈段的等效局部扩束，降低三倍频激光平均通量，从而改善三倍频光学元件损伤情况，增大三倍频激光终端光学系统输出能力。它相比传统的横向系统扩束设计，只对三倍频激光终端光学系统必要的光学元件倾斜实现局部扩束，能够降低实施成本和系统复杂性，另外，不改变横向尺寸也有利于节省安装空间。

附图说明

图1是光学元件倾斜透射增加光束面积的计算结果图；

图2是本实用新型所述的纵向局部扩束三倍频激光终端光学系统的正视图；

图3是本实用新型所述的纵向局部扩束三倍频激光终端光学系统的俯视图；

图4是传统横向系统扩束三倍频激光终端光学系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，随着光学元件倾斜角度增加，表面光束面积、体内光束面积、体内路径长度都增加，同时体内路径长度与体内光束面积之比减小。对于相同的输入激光能量来说，这意味着光学元件表面激光通量降低，体内激光强度降低，激光介质厚度增加，体内激光强度乘以激光介质厚度降低，使光学元件表面负载通量和体内非线性效应都得到缓解。以光学元件布儒斯特角放置为例，折射率1.5，倾斜角度56.3°，表面激光通量降低1.8倍，体内激光强度降低1.5倍，激光介质厚度增加1.2倍，体内激光强度乘以激光介质厚度降低0.8倍。

如图2～3所示，本实用新型提供一种纵向局部扩束三倍频激光终端光学系统，包括：沿入射激光传输方向依次排布的真空窗口、二倍频晶体、第一柱面聚焦透镜、三倍频晶体、第二柱面聚焦透镜和屏蔽片，其中，所述三倍频晶体、第二柱面聚焦透镜和屏蔽片均倾斜设置，且所述三倍频晶体沿其竖直旋转轴转动，从而倾斜一定角度，所述第二柱面聚焦透镜和屏蔽片沿其水平旋转轴转动，从而倾斜一定角度，所述三倍频晶体的竖直旋转轴与第二柱面聚焦透镜和屏蔽片的水平旋转轴相互正交。

钕玻璃近红外激光(基频激光)7通过真空窗口1进入打靶真空环境，二倍频晶体2将基频激光按一定比例倍频得到二倍频激光，在第一柱面聚焦透镜3中，未转换基频激光与二倍频激光沿二倍频晶体2敏感轴(e轴)方向或者三倍频晶体4非敏感轴(o轴)方向进行聚焦，三倍频晶体4沿同样的方向大角度倾斜放置，三倍频晶体4高效和频未转换的基频激光与二倍频激光得到三倍频激光8，三倍频激光通过第二柱面聚焦透镜5和屏蔽片6打靶，屏蔽片6阻挡打靶产生的碎片，第二柱面聚焦透镜5和屏蔽片6沿与三倍频晶体4正交方向大角度倾斜放置。即所述三倍频晶体的倾斜方向为三倍频晶体的o轴方向，所述第二柱面聚焦透镜的倾斜方向平行于三倍频晶体的e轴方向，所述屏蔽片的倾斜方向平行于所述第二柱面聚焦透镜的倾斜方向，即屏蔽片的倾斜方向为平行于三倍频晶体的e轴方向，屏蔽片和第二柱面聚焦透镜平行设置，所述第一柱面聚焦透镜的聚焦方向与所述三倍频晶体的o轴方向平行。

本实用新型的技术方案中易于损伤的紫外段光学元件包括三倍频晶体4、第二柱面聚焦透镜5和屏蔽片6，它们都大角度倾斜放置，如上所述，这样能够降低表面激光通量和体内激光强度，从而缓解严重的紫外损伤问题；同时，对这些光学元件也提出了新的要求，长度增加，三倍频晶体(原来II类三倍频晶体切割角度：晶轴角59°，方位角0°)重新切割等。光学元件长度增加能够通过小口径光学元件拼接来解决，这有利于缩短横向增益路径长度，缓解TSRS、TSBS等横向非线性效应。三倍频晶体重新切割应确保激光在晶体内的传输方向相对晶轴不改变，实现相位匹配和高效频率转换；以三倍频晶体布儒斯特角放置为例，重新设计II类三倍频晶体切割角度：晶轴角59°，方位角39°。

光束聚焦通过两块聚焦方向正交设置的聚焦透镜来实现，即第一柱面聚焦透镜3和第二柱面聚焦透镜5，第一柱面聚焦透镜3放在二倍频段，损伤问题得到缓解，第二柱面聚焦透镜5放在三倍频段，它沿聚焦方向大角度倾斜放置，柱面曲线需要根据倾斜角度分析设计。两块柱面聚焦透镜沿正交方向聚焦引入少量的像差，对焦斑有一定的影响，能够通过自适应光学系统补偿。

第一柱面聚焦透镜3沿三倍频晶体4非敏感轴(o轴)方向聚焦，会聚角(大约几度)不会对三倍频效率产生影响；三倍频晶体4沿同样方向大角度倾斜放置，未转换基频激光与二倍频激光在晶体内的色散角远小于会聚角，也不会对三倍频效率产生影响。

第二柱面聚焦透镜5和屏蔽片6沿三倍频晶体4敏感轴(e轴)方向聚焦，未转换基频激光和三倍频激光偏振态与光学元件法线共面，都是p偏振，它们即使不镀膜，也能够实现高效稳定的透射，从而有效避免了真空环境下光学元件膜层退化的问题；与之相反，未转换二倍频激光是s偏振，具有一定的反射(以布儒斯特角为例，单面菲涅尔反射15％)，能够实现简单的频率分离，使二倍频激光不打到靶点。

本实用新型的紫外段光学元件大角度倾斜放置，它们的表面剩余反射激光直接被侧壁吸收，不会聚产生鬼光损伤其它光学元件，从而实现了“无鬼光”的终端光学系统，也减少了终端光学系统对光学元件排布的限制，这允许增大光学元件间距来控制噪声，有利于缓解自聚焦等纵向非线性效应。

如图4所示，传统横向系统扩束三倍频终端光学系统包括五块光学元件：基频激光6通过真空窗口1进入打靶真空环境，二倍频晶体2将基频激光按一定比例倍频得到二倍频激光，三倍频晶体3高效和频未转换基频激光与二倍频激光得到三倍频激光7，聚焦透镜4光束聚焦三倍频激光，屏蔽片5阻挡打靶产生的碎片，所有光学元件都与入射激光近垂直放置。

传统横向系统扩束要求扩大所有光学元件，以及上游系列传输光学元件的口径，由此带来的成本增加和工程调整的复杂性是惊人的，实施难度较大。本实用新型与传统设计比较，具有极大的实施灵活性，只需要对必要的光学元件倾斜实现局部扩束，它增加的成本和难度都是有限的，另外不改变横向尺寸，则大大节省了安装空间，便于终端光学系统的日常操作和维护，能够提高装置的运行效率。以现有装置光束口径400mm×400mm为例，光束面积扩大1.5倍，传统设计要求至少10块光学元件通光口径增加到490mm×490mm，同时终端光学系统横向尺寸也需相应增加；相比较，本实用新型的技术方案只影响三块光学元件的长度和安装角度，上游传输光路和终端光学系统周边等接口关系都不受影响。

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种纵向局部扩束三倍频激光终端光学系统，其特征在于，包括：

沿入射激光传输方向依次排布的二倍频晶体、第一柱面聚焦透镜、三倍频晶体和第二柱面聚焦透镜，

其中，所述三倍频晶体和第二柱面聚焦透镜均倾斜设置，且所述三倍频晶体沿其竖直旋转轴倾斜，所述第二柱面聚焦透镜沿其水平旋转轴倾斜，所述三倍频晶体的竖直旋转轴和第二柱面聚焦透镜的水平旋转轴相互正交。

2.如权利要求1所述的纵向局部扩束三倍频激光终端光学系统，其特征在于，所述三倍频晶体的倾斜方向为三倍频晶体的o轴方向，所述第二柱面聚焦透镜的倾斜方向平行于三倍频晶体的e轴方向。

3.如权利要求2所述的纵向局部扩束三倍频激光终端光学系统，其特征在于，所述第一柱面聚焦透镜的聚焦方向与所述三倍频晶体的o轴方向平行。

4.如权利要求2所述的纵向局部扩束三倍频激光终端光学系统，其特征在于，所述第二柱面聚焦透镜后还设置有屏蔽片，所述屏蔽片的倾斜方向平行于所述第二柱面聚焦透镜的倾斜方向。

5.如权利要求1所述的纵向局部扩束三倍频激光终端光学系统，其特征在于，所述二倍频晶体前还设置有真空窗口。

6.如权利要求1所述的纵向局部扩束三倍频激光终端光学系统，其特征在于，所述入射激光为钕玻璃近红外激光。

7.如权利要求1所述的纵向局部扩束三倍频激光终端光学系统，其特征在于，所述第一柱面聚焦透镜和第二柱面聚焦透镜的聚焦方向正交设置。