CN209279975U - 一种用于激光靶场的小尺度焦斑定位系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于激光靶场的小尺度焦斑定位系统。所述系统包括：激光发出装置和成像系统；激光发出装置用于产生激光，并将激光注入靶室，靶室内的聚焦元件将激光进行聚焦，得到焦斑，并将焦斑投射至靶室内的平面靶上，平面靶将焦斑散射至成像系统；成像系统用于形成平面靶像，并对平面靶像中的焦斑进行定位；激光发出装置包括：超短脉冲激光器、光纤激光器、设置在光纤激光器的输出光路上的聚焦透镜、设置在聚焦透镜的输出光路上的第一分光棱镜、设置在第一分光棱镜的反射光路上的准直物镜、设置在超短脉冲激光器的输出光路与准直物镜的输出光路的交界处的半透半反镜。本实用新型能够提高小尺度焦斑的定位精度。

Description

一种用于激光靶场的小尺度焦斑定位系统

技术领域

本实用新型涉及激光焦点定位技术领域，特别是涉及一种用于激光靶场的小尺度焦斑定位系统。

背景技术

近几十年来，超短超强激光的科学研究及相关技术已经取得了卓越的进展，尤其是激光与物质相互作用的研究。随着啁啾脉冲放大技术的突破，超短超强激光脉冲的峰值功率可达到百太瓦，甚至拍瓦量级，由此产生的超强电磁场、超高温、超高压力等极端条件，为诸多学科的发展提供了重要的实验研究创新条件。超短超强激光与物理实验靶的精确耦合定位技术是关系到物理实验成败的关键技术。

将超短超强激光聚焦到空间一点，在焦点区域可获得极高光功率密度光场，焦斑越小，所要求的打靶精度越高。短脉冲PW装置产生的焦斑直径为几十微米或者几微米，甚至更小。美国LLE的科学家认为，短脉冲系统的打靶精度不应低于焦斑直径的20％。为了避免短脉冲激光在透射元件中传输产生的色散及非线性效应，通常采用离轴抛物面镜对高功率短脉冲激光进行聚焦。目前我国长脉冲透射式聚焦系统SG-Ⅱ和TIL的实际打靶精度约为20μm，其采用的多光束激光精密聚焦定位技术已经不能满足短脉冲以及超短脉冲物理实验的打靶精度需求，而用于小尺度焦斑定位的系统还不存在。

目前，激光靶场通常采用反射式瞄靶定位系统对激光焦点进行定位。反射式瞄靶系统主要由安装在靶室外的长焦距显微镜和CCD组成，利用CCD对靶面散射主激光的监测，在激光聚焦方向靶前后移动时，散射光斑最小位置即焦点位置。该方式受限于系统距离目标靶的距离较远，因而不能实现高精度分辨率，并且反射式系统成像分辨率在1m(靶室半径)工作距离时约为10μm，而在激光聚焦方向靶前后移动30μm时，才能检测到散射光斑有明显的变化，因此，该方式也不能满足物理实验的打靶需求。

发明内容

基于此，有必要提供一种用于激光靶场的小尺度焦斑定位系统，以提高定位精度。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

一种用于激光靶场的小尺度焦斑定位系统，包括：激光发出装置和成像系统；所述激光发出装置用于产生激光，并将所述激光注入靶室；所述靶室内的聚焦元件将所述激光进行聚焦，得到焦斑，并将所述焦斑投射至所述靶室内的平面靶上，所述平面靶将所述焦斑散射至所述成像系统；所述成像系统用于形成平面靶像，并对所述平面靶像中的焦斑进行定位；

所述激光发出装置包括：

超短脉冲激光器，用于发出超短脉冲激光；

光纤激光器，用于发出光纤激光；

聚焦透镜，设置在所述光纤激光器的输出光路上，用于对所述光纤激光聚焦，得到聚焦光纤激光；

第一分光棱镜，设置在所述聚焦透镜的输出光路上；

准直物镜，设置在所述第一分光棱镜的反射光路上，用于将所述第一分光棱镜反射的聚焦光纤激光进行准直，得到准直光纤激光；

半透半反镜，设置在所述超短脉冲激光器的输出光路与所述准直物镜的输出光路的交界处，用于使反射的超短脉冲激光与透射的准直光纤激光同轴，并将同轴的两束激光注入所述靶室；

所述超短脉冲激光与所述准直光纤激光在所述靶室内聚焦形成焦斑，所述焦斑投射至所述平面靶上，所述平面靶将所述焦斑散射出去，并依次经过所述半透半反镜、所述聚焦透镜后，在所述第一分光棱镜后形成一次像；所述第一分光棱镜的出射光路上设置所述成像系统；所述一次像为带焦斑的平面靶像。

可选的，所述成像系统包括：

第二分光棱镜，设置在所述第一分光棱镜的出射光路上，用于将所述一次像反射和透射出去；

第一成像系统，设置在所述第二分光棱镜的透射光路上，用于将透射的一次像按照第一预设倍数放大，得到第一平面靶像；所述第一平面靶像用于确定所述焦斑的位置；

第二成像系统，设置在所述第二分光棱镜的反射光路上，用于将反射的一次像按照第二预设倍数放大，得到第二平面靶像；所述第二平面靶像用于确定所述焦斑的大小及所述焦斑的形貌。

可选的，所述第一成像系统包括：

四倍成像系统，设置在所述第二分光棱镜的透射光路上，用于将透射的一次像放大四倍；

第一CCD相机，设置在所述四倍成像系统的输出光路上，用于得到四倍平面靶像。

可选的，所述第二成像系统包括：

二十倍成像系统，设置在所述第二分光棱镜的反射光路上，用于将反射的一次像放大二十倍；

第二CCD相机，设置在所述二十倍成像系统的输出光路上，用于得到二十倍平面靶像。

可选的，所述成像系统的景深与所述聚焦元件的景深一致，且均为10μm。

可选的，所述聚焦元件为离轴抛物面聚焦镜；所述离轴抛物面聚焦镜设置在所述半透半反镜的出射光路上，用于将所述超短脉冲激光与所述准直光纤激光聚焦形成焦斑，并投射至所述平面靶。

可选的，所述光纤激光器为单模光纤激光器；所述单模光纤激光器的光纤芯径为4μm。

可选的，所述超短脉冲激光器发出的超短脉冲激光的波长为800nm；所述光纤激光器发出的光纤激光的波长为635nm。

可选的，所述准直物镜的有效通光口径为510mm。

可选的，所述光纤激光器发出激光的一端设置有窄带滤光片。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型提出了一种用于激光靶场的小尺度焦斑定位系统。所述系统包括：激光发出装置和成像系统；激光发出装置用于产生激光，并将激光注入靶室；靶室内的聚焦元件将激光进行聚焦，得到焦斑，并将所述焦斑投射至所述靶室内的平面靶上，所述平面靶将所述焦斑散射至所述成像系统；成像系统用于形成平面靶像，并对平面靶像中的焦斑进行定位；激光发出装置包括：超短脉冲激光器、光纤激光器、聚焦透镜、第一分光棱镜、准直物镜以及半透半反镜。本实用新型能够实现高精度的束靶耦合，能够提高小尺度焦斑的定位精度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例一种用于激光靶场的小尺度焦斑定位系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1为本实用新型实施例一种用于激光靶场的小尺度焦斑定位系统的结构示意图。

参见图1，实施例的用于激光靶场的小尺度焦斑定位系统包括：激光发出装置1和成像系统2；所述激光发出装置1用于产生激光，并将所述激光注入靶室3；所述靶室3内的聚焦元件将所述激光进行聚焦，得到焦斑，并将所述焦斑投射至所述靶室3内的平面靶4(放置在靶室中心位置)上，所述平面靶4将所述焦斑散射至所述成像系统2；所述成像系统2用于形成平面靶像，并对所述平面靶像中的焦斑进行定位。

所述激光发出装置1包括：

超短脉冲激光器5，用于发出超短脉冲激光；光纤激光器6，用于发出光纤激光；聚焦透镜7，设置在所述光纤激光器6的输出光路上，用于对所述光纤激光聚焦，得到聚焦光纤激光；第一分光棱镜8，设置在所述聚焦透镜7的输出光路上；准直物镜9，设置在所述第一分光棱镜8的反射光路上，用于将所述第一分光棱镜8反射的聚焦光纤激光进行准直，得到准直光纤激光；半透半反镜10，设置在所述超短脉冲激光器5的输出光路与所述准直物镜9的输出光路的交界处，用于使反射的超短脉冲激光与透射的准直光纤激光同轴，并将同轴的两束激光注入所述靶室3。

所述超短脉冲激光与所述准直光纤激光在所述靶室3内聚焦形成焦斑，所述焦斑投射至所述平面靶4上，所述平面靶4将所述焦斑散射出去，并依次经过所述半透半反镜10、所述聚焦透镜7后，在所述第一分光棱镜8后形成一次像；所述第一分光棱镜8的出射光路上设置所述成像系统2；所述一次像为带焦斑的平面靶像。

所述成像系统2包括：

第二分光棱镜11，设置在所述第一分光棱镜8的出射光路上，用于将所述一次像反射和透射出去。

第一成像系统，设置在所述第二分光棱镜11的透射光路上，用于将透射的一次像按照第一预设倍数放大，得到第一平面靶像；所述第一平面靶像用于确定所述焦斑的二维位置；依据所述焦斑的二维位置，调节平面靶4使焦斑位于平面靶4上合适位置，可以实现对平面靶4的放置位置的初步调节。所述第一成像系统包括：四倍成像系统12，设置在所述第二分光棱镜11的透射光路上，用于将透射的一次像放大四倍；第一CCD相机13，设置在所述四倍成像系统12的输出光路上，用于得到四倍平面靶像。

第二成像系统，设置在所述第二分光棱镜11的反射光路上，用于将反射的一次像按照第二预设倍数放大，得到第二平面靶像；所述第二平面靶像用于确定所述焦斑的大小及所述焦斑的形貌；依据所述焦斑的大小及所述焦斑的形貌，再次对平面靶4在焦深方向进行调节，实现对平面靶4放置位置的精细调节。所述第二成像系统包括：二十倍成像系统14，设置在所述第二分光棱镜11的反射光路上，用于将反射的一次像放大二十倍；第二CCD相机15，设置在所述二十倍成像系统14的输出光路上，用于得到二十倍平面靶像。

本实施例中，所述成像系统的景深与所述聚焦元件的景深一致，且均为10μm。

本实施例中，所述靶室3内的聚焦元件为离轴抛物面聚焦镜16；所述离轴抛物面聚焦镜16设置在所述半透半反镜10的出射光路上，用于将所述超短脉冲激光与所述准直光纤激光聚焦形成焦斑，并投射至所述平面靶4。

本实施例中，所述光纤激光器6为单模光纤激光器；所述单模光纤激光器6的光纤芯径为4μm；所述超短脉冲激光器5发出的超短脉冲激光的波长为800nm；所述光纤激光器发出的光纤激光的波长为635nm。

本实施例中，所述光纤激光器6发出激光的一端设置有窄带滤光片，以便于得到更小的焦斑，保证能够达到主激光同等的聚焦水平。

本实施例为满足准直物镜9与超短脉冲激光输出口径一致，所述准直物镜9的有效通光口径为510mm。根据大视场小焦斑的要求，准直物镜9的F＝3.14，且采用平凸非球面镜矫正轴上的球差，全视场波像差仅为1λ，对应准直物镜的弥散圆斑图像中心视场RMS为3.158μm，成像质量已接近衍射极限值，满足系统成像要求。

本实施例中的四倍成像系统12为实现四倍像的成像物镜组，该物镜组由带有空气间隙的四块透镜组成，其中三块平凸透镜和一块双凹透镜。二十倍成像系统14与四倍成像系统12的结构类似，只是实现放大倍数不同，选取不同放大倍数的透镜。成像物镜组全视场波像差仅为1λ，能够消除系统所引起的球差效应，焦平面等效像元尺寸在尼奎斯特频率处12.5lp/mm，MTF值为0.7，成像质量接近衍射极限值，能够满足物方分辨率5μm的要求。

下面对本实施例用于激光靶场的小尺度焦斑定位系统的原理进行说明。

波长为800nm的超短脉冲激光通过半透半反镜10注入靶室3，光纤激光器6发出的635nm激光经过聚焦准直由半透半反镜10进入靶室3，此时800nm超短脉冲激光与635nm激光同轴，两束光经过离轴抛物面聚焦镜16汇聚于靶点位置形成一个小焦斑，该焦斑由放置于靶点处平面靶4散射，其中有一部分通过半透半反镜10透射，经过准直物镜9后，在第一分光棱镜8后形成一次像，然后由不同放大倍数的成像系统2分别将一次像成像于第一CCD相机13像面和第二CCD相机15像面，是为二次像，即四倍平面靶像和二十倍平面靶像。

上述实施例提供的激光靶场的小尺度焦斑定位系统在实际应用中，可采用以下两种方法实现。

1)由于超短脉冲激光可能会破坏平面靶的表面，而不能直接作用至平面靶上，此时，可采用如下方法实现。该方法中，单模光纤激光器的光纤芯径为4μm，可将其视为点光源。由光纤激光器6模拟的理想点光源、准直物镜9、离轴抛物面聚焦镜16和靶点构成了一个共轭系统。在靶点处放置一个平面靶4，通过共轭系统后会在第一分光棱镜8后形成一个焦点像。在第二分光棱镜11的另一侧，模拟光源的对应点处放置一个CCD相机，可以获得平面靶的图像。当635nm激光和800nm超短脉冲激光调节好以后，两束光满足共轴共焦点，它们的焦斑位置及形貌应当一致。此时，平面靶4放置于焦点附近，照亮靶面，通过系统观察靶表面，靶表面成像最清晰的位置即为是激光的焦点位置。该方法可以确定平面靶在焦深范围内，实现超短脉冲激光瑞利长度级别的定位。

2)当超短脉冲激光直接作用至平面靶上时，可采用如下方法实现，即在焦深范围内前后移动平面靶的位置，观察二次像的焦斑的大小及焦斑的形貌，焦斑最小及最亮位置即为焦点位置。

作为一种可选的实施方式，所述激光靶场的小尺度焦斑定位系统还设置有指示激光发生器，所述指示激光发生器可以提供一束和主激光同轴共焦点的指示激光，所述指示激光是人眼可见的，可以方便其他使用，例如诊断设备的瞄准调试时使用。

本实施例用于激光靶场的小尺度焦斑定位系统能够实现高精度的束靶耦合，能够提高小尺度焦斑的定位精度。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (10)

1.一种用于激光靶场的小尺度焦斑定位系统，其特征在于，包括：激光发出装置和成像系统；所述激光发出装置用于产生激光，并将所述激光注入靶室；所述靶室内的聚焦元件将所述激光进行聚焦，得到焦斑，并将所述焦斑投射至所述靶室内的平面靶上，所述平面靶将所述焦斑散射至所述成像系统；所述成像系统用于形成平面靶像，并对所述平面靶像中的焦斑进行定位；

所述激光发出装置包括：

超短脉冲激光器，用于发出超短脉冲激光；

光纤激光器，用于发出光纤激光；

聚焦透镜，设置在所述光纤激光器的输出光路上，用于对所述光纤激光聚焦，得到聚焦光纤激光；

第一分光棱镜，设置在所述聚焦透镜的输出光路上；

准直物镜，设置在所述第一分光棱镜的反射光路上，用于将所述第一分光棱镜反射的聚焦光纤激光进行准直，得到准直光纤激光；

半透半反镜，设置在所述超短脉冲激光器的输出光路与所述准直物镜的输出光路的交界处，用于使反射的超短脉冲激光与透射的准直光纤激光同轴，并将同轴的两束激光注入所述靶室；

所述超短脉冲激光与所述准直光纤激光在所述靶室内聚焦形成焦斑，所述焦斑投射至所述平面靶上，所述平面靶将所述焦斑散射出去，并依次经过所述半透半反镜、所述聚焦透镜后，在所述第一分光棱镜后形成一次像；所述第一分光棱镜的出射光路上设置所述成像系统；所述一次像为带焦斑的平面靶像。

2.根据权利要求1所述的一种用于激光靶场的小尺度焦斑定位系统，其特征在于，所述成像系统包括：

第二分光棱镜，设置在所述第一分光棱镜的出射光路上，用于将所述一次像反射和透射出去；

第一成像系统，设置在所述第二分光棱镜的透射光路上，用于将透射的一次像按照第一预设倍数放大，得到第一平面靶像；所述第一平面靶像用于确定所述焦斑的位置；

第二成像系统，设置在所述第二分光棱镜的反射光路上，用于将反射的一次像按照第二预设倍数放大，得到第二平面靶像；所述第二平面靶像用于确定所述焦斑的大小及所述焦斑的形貌。

3.根据权利要求2所述的一种用于激光靶场的小尺度焦斑定位系统，其特征在于，所述第一成像系统包括：

四倍成像系统，设置在所述第二分光棱镜的透射光路上，用于将透射的一次像放大四倍；

第一CCD相机，设置在所述四倍成像系统的输出光路上，用于得到四倍平面靶像。

4.根据权利要求2所述的一种用于激光靶场的小尺度焦斑定位系统，其特征在于，所述第二成像系统包括：

二十倍成像系统，设置在所述第二分光棱镜的反射光路上，用于将反射的一次像放大二十倍；

第二CCD相机，设置在所述二十倍成像系统的输出光路上，用于得到二十倍平面靶像。

5.根据权利要求2所述的一种用于激光靶场的小尺度焦斑定位系统，其特征在于，所述成像系统的景深与所述聚焦元件的景深一致，且均为10μm。

6.根据权利要求1所述的一种用于激光靶场的小尺度焦斑定位系统，其特征在于，所述聚焦元件为离轴抛物面聚焦镜；所述离轴抛物面聚焦镜设置在所述半透半反镜的出射光路上，用于将所述超短脉冲激光与所述准直光纤激光聚焦形成焦斑，并投射至所述平面靶。

7.根据权利要求1所述的一种用于激光靶场的小尺度焦斑定位系统，其特征在于，所述光纤激光器为单模光纤激光器；所述单模光纤激光器的光纤芯径为4μm。

8.根据权利要求1所述的一种用于激光靶场的小尺度焦斑定位系统，其特征在于，所述超短脉冲激光器发出的超短脉冲激光的波长为800nm；所述光纤激光器发出的光纤激光的波长为635nm。

9.根据权利要求1所述的一种用于激光靶场的小尺度焦斑定位系统，其特征在于，所述准直物镜的有效通光口径为510mm。

10.根据权利要求1所述的一种用于激光靶场的小尺度焦斑定位系统，其特征在于，所述光纤激光器发出激光的一端设置有窄带滤光片。