線聚焦空間濾波器的制造方法
【專利摘要】一種用于激光系統(tǒng)的線聚焦空間濾波器，由多塊柱面鏡和兩塊帶有中心狹縫的擋板構(gòu)成。本發(fā)明既可以實(shí)現(xiàn)包括抑制小尺度自聚焦、實(shí)現(xiàn)像傳遞、級(jí)間隔離、光束擴(kuò)束、雜散光規(guī)避等一系列高功率激光系統(tǒng)所必備的核心功能，又能夠滿足下一代高功率激光系統(tǒng)發(fā)展所需的高度集成化、緊蹙化的要求。
【專利說明】線聚焦空間濾波器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及濾波器，特別是一種線聚焦空間濾波器，特別是一種能夠滿足高功率激光系統(tǒng)高度集成化、緊蹙化要求的線聚焦空間濾波器。
【背景技術(shù)】
[0002]高功率激光系統(tǒng)中空間濾波器的成功引入使得其輸出能力獲得了質(zhì)的飛躍，目前空間濾波器已成為高功率激光系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置，無論是國(guó)內(nèi)的神光系列裝置，還是美國(guó)的國(guó)家點(diǎn)火裝置、法國(guó)的兆焦耳裝置、日本的火神系列裝置等都基于空間濾波器建造而成。由于空間濾波器集成了包括抑制小尺度自聚焦、實(shí)現(xiàn)像傳遞、級(jí)間隔離、光束擴(kuò)束、雜散光規(guī)避等一系列高功率激光系統(tǒng)所涉及的核心問題，因此，空間濾波器在高功率激光系統(tǒng)中的地位極其重要并且不可替代。
[0003]但是，傳統(tǒng)的空間濾波器在具備上述卓越功能的同時(shí)，又給整個(gè)高功率激光系統(tǒng)帶來了一個(gè)非常大的不利因素，就是過于龐大的空間尺寸。以美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置為例，其主放系統(tǒng)采用了兩種規(guī)格的空間濾波器，焦距分別為11.75米和30米，從而導(dǎo)致其單路裝置總長(zhǎng)度達(dá)170米；國(guó)內(nèi)在建的神光系列裝置之一(神光II升級(jí)裝置)盡管采用了折疊式主放設(shè)計(jì)，其單路裝置總長(zhǎng)度依然長(zhǎng)達(dá)70米。如此龐大的系統(tǒng)使得裝置的使用范圍和使用效率受到了很大的限制。隨著高功率激光相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展，尤其是可移動(dòng)式高功率激光裝置和聚變點(diǎn)火電站等核心需求從概念逐漸走向?qū)嵤┑木薮笮枨笸苿?dòng)下，目前現(xiàn)有的空間濾波器已成為阻礙高功率激光系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服傳統(tǒng)空間濾波器技術(shù)的上述缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種用于激光系統(tǒng)的線聚焦空間濾波器，該線聚焦空間濾波器能夠滿足高功率激光系統(tǒng)高度集成化、緊蹙化的要求。
[0005]本發(fā)明基于相同原理，根據(jù)不同的應(yīng)用需求有3種不同的技術(shù)解決方案，分別命名為獨(dú)立分解型、組合型和融合型，其各自的具體的技術(shù)解決方案如下:
[0006]1、獨(dú)立分解型
[0007]一種線聚焦空間濾波器，其特點(diǎn)在于該裝置的構(gòu)成自左至右包括共光軸的垂直放置的第一柱面鏡、垂直放置的帶有中心狹縫的第一擋板、垂直放置的第二柱面鏡，水平放置的第三柱面鏡、水平放置的帶有中心狹縫的第二擋板和水平放置的第四柱面鏡，所述的第一柱面鏡的后焦線和第二柱面鏡的前焦線共焦線，所述的第一擋板的狹縫中心與所述的第一柱面鏡的后焦線和第二柱面鏡的前焦線三者重合，所述的第三柱面鏡的后焦線、第四柱面鏡的前焦線和第二擋板的狹縫中心三者重合，所述第三柱面鏡、第二擋板和第四柱面鏡構(gòu)成一體，該一體相對(duì)于第二柱面鏡的距離可根據(jù)所處系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求任意選取。
[0008]2、組合型
[0009]一種線聚焦空間濾波器，其特點(diǎn)在于該裝置的構(gòu)成自左至右包括共光軸的垂直放置的第一柱面鏡、水平放置的第三柱面鏡、垂直放置的中心帶有中心狹縫的第一擋板、水平放置的帶有中心狹縫的第二擋板、垂直放置的第二柱面鏡和水平放置的第四柱面鏡，所述的第一柱面鏡、第二柱面鏡為共焦放置，所述的第一擋板的狹縫中心與所述的第一柱面鏡和第二柱面鏡的共焦線重合；所述的第三柱面鏡和第四柱面鏡共焦放置，所述的第二擋板的狹縫中心與所述的第三柱面鏡和第四柱面鏡的共焦線重合，所述的第二擋板、第三柱面鏡和第四柱面鏡構(gòu)成一體，該一體相對(duì)于第一柱面鏡的距離可根據(jù)所處系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求任意選取，但該距離不大于第一柱面鏡的焦距。
[0010]3、融合型
[0011]一種線聚焦空間濾波器，其特點(diǎn)在于該裝置的構(gòu)成自左至右包括共光軸的第一兩維柱面鏡、垂直放置的中心帶有狹縫的第一擋板、水平放置的中心帶有狹縫的第二擋板和第二兩維柱面鏡，所述的第一兩維柱面鏡和第二兩維柱面鏡為共焦放置，且第一兩維柱面鏡和第二兩維柱面鏡的垂直柱面分量和水平柱面分量分別共焦；所述第一擋板的狹縫中心與所述的第一兩維柱面鏡和第二兩維柱面鏡的垂直分量的共焦線重合；所述的第二擋板的狹縫中心與所述的第一兩維柱面鏡和第二兩維柱面鏡的水平分量的共焦線重合。
[0012]本發(fā)明的技術(shù)效果是:
[0013]上述線聚焦空間濾波器裝置(包含三種類型)除了可以直接代替?zhèn)鹘y(tǒng)空間濾波器實(shí)現(xiàn)包括抑制小尺度自聚焦、實(shí)現(xiàn)像傳遞、級(jí)間隔離、光束擴(kuò)束、雜散光規(guī)避等一系列核心功能之外，其更重要的優(yōu)勢(shì)在于
[0014]1、縮小光路規(guī)模。由物理光學(xué)中光束的聚焦特性可以得知，透鏡的F數(shù)決定了聚焦靶面的能量密度分布。高功率激光系統(tǒng)中傳統(tǒng)的空間濾波器之所以設(shè)計(jì)成長(zhǎng)達(dá)十幾米甚至幾十米的焦距長(zhǎng)度，其主要的受限因素是濾波孔周圍光束焦斑的功率密度。如果空間濾波器透鏡焦距過短，將使得濾波孔周圍材料由于過高的功率密度以等離子體的形態(tài)向孔中心噴射，從而對(duì)后續(xù)脈沖產(chǎn)生嚴(yán)重影響，惡化光束質(zhì)量，制約系統(tǒng)輸出性能，甚至引起后續(xù)元件損傷。相比于傳統(tǒng)空間濾波器裝置，線聚焦空間濾波器裝置通過正交兩維獨(dú)立聚焦濾波的方式，以長(zhǎng)條形焦線代替?zhèn)鹘y(tǒng)空間濾波器的點(diǎn)狀焦斑，從而使得相同焦距下，聚焦區(qū)的功率密度降低2?3個(gè)量級(jí)。在其他分系統(tǒng)允許的前提下，這足以保證使用線聚焦空間濾波器的高功率激光系統(tǒng)的總體尺寸以量級(jí)縮小。而整體光路尺寸的大幅縮小正是目前眾多研究需求，如可移動(dòng)式高功率激光系統(tǒng)、激光驅(qū)動(dòng)慣性約束電站等所孜孜以求的。
[0015]2、保障重頻運(yùn)行。相比于目前單發(fā)運(yùn)行的高功率激光系統(tǒng)，重頻運(yùn)行的高功率激光系統(tǒng)存在“積少成多”的工程風(fēng)險(xiǎn)。即使是目前超長(zhǎng)的空間濾波器設(shè)計(jì)，其濾波孔靶面周圍依然存在少量的由于激光照射導(dǎo)致的材料氣化和等離子體噴射。這些在長(zhǎng)期重頻運(yùn)行的環(huán)境中將勢(shì)必不斷積累，最終污染光學(xué)元件，引起損傷閾值下降，從而導(dǎo)致元件損傷。線聚焦空間濾波器由于可以成量級(jí)地降低濾波孔附近的光束功率密度，因此，可以極大地改善這一問題。
[0016]3、簡(jiǎn)化系統(tǒng)構(gòu)件。由于線聚焦空間濾波器可以成量級(jí)地降低焦面處的激光功率密度，這使得該類空間濾波器中光束的擊穿風(fēng)險(xiǎn)大大降低。相比于傳統(tǒng)空間濾波器，其對(duì)空間濾波器內(nèi)部的真空度要求大大降低，從而簡(jiǎn)化了真空系統(tǒng)設(shè)備要求，甚至在低能量階段可以省去真空設(shè)備。這一點(diǎn)為系統(tǒng)的進(jìn)一步簡(jiǎn)化、集成提供了方便。
【專利附圖】

【附圖說明】[0017]圖1是現(xiàn)有傳統(tǒng)空間濾波器裝置示意圖
[0018]圖中:101 —輸入光束，102 —空間濾波器入射透鏡，103 —濾波孔板，104 —空間濾波器出射透鏡，105 一輸出光束，106 一所述空間濾波器出射透鏡的焦距，107 一所述空間濾波器入射透鏡的焦距，108 一系統(tǒng)光軸，109 一參考坐標(biāo)系豎直軸，110 一參考坐標(biāo)系水平軸。
[0019]圖2是傳統(tǒng)空間濾波器焦點(diǎn)和線聚焦空間濾波器焦線示意圖
[0020]圖中:201 —傳統(tǒng)空間濾波器“點(diǎn)狀”焦點(diǎn)，202 —線聚焦空間濾波器“線狀”焦線
[0021]圖3是本發(fā)明線聚焦空間濾波器裝置中獨(dú)立分解型的示意圖
[0022]圖中:301 —光軸，302 —輸入光束，303 —第一垂直放置柱面鏡，304 —垂直放置的中心帶有狹縫的擋板，305 —所述第一塊垂直放置的柱面鏡的后焦線，同時(shí)也是第二塊垂直放置的柱面鏡的前焦線，306 —第二垂直放置柱面鏡，307 —第一塊水平放置的柱面鏡，308 一水平放置的中心帶有狹縫的擋板，309 —所述第一塊水平放置的柱面鏡的后焦線，同時(shí)也是第二塊水平放置的柱面鏡的前焦線，310 —第二塊水平放置柱面鏡，311 —輸出光束，312 —所述第二塊水平放置柱面鏡的焦距，313 —所述第一塊水塊平放置柱面鏡的焦距，314 —所述第一塊水平放置的柱面鏡相對(duì)于第二塊垂直放置的柱面鏡的距離，315 —所述第二塊垂直放置柱面鏡的焦距，316 —所述第一塊垂直放置柱面鏡的焦距，317 —參考坐標(biāo)系豎直軸，318 —參考坐標(biāo)系水平軸。
[0023]圖4是本發(fā)明線聚焦空間濾波器裝置中組合型的示意圖
[0024]圖中:401 —輸入光束，402 —第一垂直放置柱面鏡，403 —第一塊水平放置的柱面鏡，404 —垂直放置的中心帶有狹縫的擋板，405 —所述第一塊垂直放置的柱面鏡的后焦線，同時(shí)也是第二塊垂直放置的柱面鏡的前焦線，406 —水平放置的中心帶有狹縫的擋板，407 一所述第一塊水平放置的柱面鏡的后焦線，同時(shí)也是第二塊水平放置的柱面鏡的前焦線，408 —第二塊垂直放置柱面鏡，409 —第二塊水平放置柱面鏡，410 —輸出光束，411 一所述第二塊水平放置柱面鏡的焦距，412 —所述第二塊垂直放置柱面鏡的焦距，,413 一所述第一塊水平放置柱面鏡的焦距，414 一所述第一塊垂直放置柱面鏡的焦距，415 —所述第一塊水平放置的柱面鏡相對(duì)于第一塊垂直放置的柱面鏡的距離，416 —光軸，417 —參考坐標(biāo)系豎直軸，418 —參考坐標(biāo)系水平軸。
[0025]圖5是本發(fā)明線聚焦空間濾波器裝置中融合型的示意圖
[0026]圖中:501 —輸入光束，502 —第一塊兩維柱面鏡，503 —垂直放置的中心帶有狹縫的擋板，504 —所述第一塊兩維柱面鏡的垂直柱面分量的后焦線，同時(shí)也是第二兩維柱面鏡垂直柱面分量的前焦線，505 —水平放置的中心帶有狹縫的擋板，506 —所述第一兩維柱面鏡的水平柱面分量的后焦線，同時(shí)也是第二兩維柱面鏡水平柱面分量的前焦線，407 —第二塊兩維柱面鏡，508 —輸出光束，509 —第二塊兩維柱面鏡垂直柱面分量的焦距，510 —第二塊兩維柱面鏡水平柱面分量的焦距，511 —第一塊兩維柱面鏡水平柱面分量的焦距，512 -第一兩維柱面鏡的垂直柱面分量的焦距，513 —光軸,514 —參考坐標(biāo)系豎直軸,515 —參考坐標(biāo)系水平軸。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合實(shí)例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0028]先請(qǐng)參閱圖3?圖5，圖3是本發(fā)明線聚焦空間濾波器裝置中獨(dú)立分解型的示意圖，圖4是本發(fā)明線聚焦空間濾波器裝置中組合型的示意圖，圖5是本發(fā)明線聚焦空間濾波器裝置中融合型的示意圖。
[0029]本發(fā)明基于相同原理，根據(jù)不同的應(yīng)用需求有3種不同的技術(shù)解決方案，分別如下:
[0030]1、獨(dú)立分解型
[0031]獨(dú)立分解型線聚焦空間濾波器的基本原理是將原有空間濾波器兩維聚焦濾波功能分解為正交的兩維獨(dú)立的聚焦濾波過程，并將其通過兩個(gè)正交級(jí)聯(lián)的線聚焦空間濾波器來實(shí)現(xiàn)。該裝置的構(gòu)成自左至右包括垂直放置的第一柱面鏡303、垂直放置的中心帶有狹縫的第一擋板304、第二柱面鏡306，水平放置的第三柱面鏡307、中心帶有狹縫的第二擋板308和第四柱面鏡310，所述的第一柱面鏡303的后焦線305和第二柱面鏡306的前焦線305共焦線，所述的第一擋板304的狹縫中心與所述的第一柱面鏡303的后焦線305和第二柱面鏡306的前焦線305重合，所述的第三柱面鏡307的后焦線、第四柱面鏡310的前焦線和第二擋板308狹縫中心三者重合，所述水平放置的第三柱面鏡307相對(duì)于第二柱面鏡306之間的距離314可根據(jù)所處系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求任意選取。
[0032]2、組合型
[0033]該裝置的構(gòu)成自左至右包括共光軸的垂直放置的第一柱面鏡402、水平放置的第三柱面鏡403、垂直放置的中心帶有狹縫的第一擋板404、水平放置的中心帶有狹縫的第二擋板406、垂直放置的第二柱面鏡408和水平放置的第四柱面鏡409，所述的第一柱面鏡402、第二柱面鏡408為共焦放置，所述的第一擋板404的狹縫中心與所述的第一柱面鏡402和第二柱面鏡408的共焦線405重合；所述的第三柱面鏡403和第四柱面鏡409共焦放置，所述的第二擋板406的狹縫中心與所述的第三柱面鏡403和第四柱面鏡409的共焦線407重合，所述的第二擋板406、第三柱面鏡403和第四柱面鏡409構(gòu)成一體，該一體相對(duì)于第一柱面鏡402的距離415可根據(jù)所處系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求任意選取，但該距離不大于第一柱面鏡402的焦距。
[0034]3、融合型
[0035]融合型線聚焦空間濾波器包含兩塊兩維柱面鏡502、507，一個(gè)垂直放置的中心帶有狹縫的擋板503，一個(gè)水平放置的中心帶有狹縫的擋板505，所述所有元件的軸向?qū)ΨQ中心軸與系統(tǒng)光軸513重合；從左到右依次為:第一兩維柱面鏡502、垂直放置的中心帶有狹縫的擋板503、水平放置的中心帶有狹縫的擋板505、第二兩維柱面鏡507 ;所述兩塊兩維柱面鏡502、507為共焦放置，即在垂直方向514，所述兩塊兩維柱面鏡的垂直柱面分量共焦，在水平方向上所述兩塊兩維柱面鏡的垂直柱面分量也共焦；所述垂直放置的中心帶有狹縫的擋板503與兩塊兩維柱面鏡的垂直分量的共焦線504共面，且所述擋板面垂直于光軸513，并且所述擋板的狹縫中心與兩塊兩維柱面鏡的垂直分量的共焦線504重合；所述水平放置的中心帶有狹縫的擋板505與兩塊兩維柱面鏡的水平分量的共焦線506共面，且所述擋板面垂直于光軸513，并且所述擋板的狹縫中心與兩塊兩維柱面鏡的水平分量的共焦線506重合。
[0036]本發(fā)明的特點(diǎn)是:[0037]1、上述三種類型線聚焦空間濾波器:獨(dú)立分解型、組合型和融合型都可以代替現(xiàn)有空間濾波器，實(shí)現(xiàn)高功率激光系統(tǒng)所必須的包括括抑制小尺度自聚焦、實(shí)現(xiàn)像傳遞、級(jí)間隔離、光束擴(kuò)束、雜散光規(guī)避等一系列核心功能；
[0038]2、上述三種類型線聚焦空間濾波器由于采用了將傳統(tǒng)聚焦濾波分解為獨(dú)立的兩維正交的濾波過程，并且在沿光軸方向不同位置實(shí)現(xiàn)的方法，使得濾波孔附近的聚焦功率密度大幅降低，從而使高功率激光系統(tǒng)中空間濾波器的小型化成為可能。
[0039]3、基于線聚焦的空間濾波器系統(tǒng)不僅可以獲得緊湊的光路系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)也為高功率激光系統(tǒng)的高重頻運(yùn)行提供了一定條件；同時(shí)也降低了整個(gè)裝置真空系統(tǒng)的要求，為裝置的進(jìn)一步集成提供了便利。
【權(quán)利要求】
1.一種線聚焦空間濾波器，其特征在于該裝置的構(gòu)成自左至右包括共光軸的垂直放置的第一柱面鏡(303)、垂直放置的帶有中心狹縫的第一擋板(304)、垂直放置的第二柱面鏡(306)，水平放置的第三柱面鏡(307)、水平放置的帶有中心狹縫的第二擋板(308)和水平放置的第四柱面鏡(310)，所述的第一柱面鏡(303)的后焦線和第二柱面鏡(306)的前焦線共焦線，所述的第一擋板(304)的狹縫中心與所述的第一柱面鏡(303)的后焦線和第二柱面鏡(306)的前焦線三者重合，所述的第三柱面鏡(307)的后焦線、第四柱面鏡(310)的前焦線和第二擋板(308)的狹縫中心三者重合，所述第三柱面鏡(307)、第二擋板(308)和第四柱面鏡(310)構(gòu)成一體，該一體相對(duì)于第二柱面鏡(306)的距離(314)可根據(jù)所處系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求任意選取。
2.一種線聚焦空間濾波器，其特征在于該裝置的構(gòu)成自左至右包括共光軸的垂直放置的第一柱面鏡(402)、水平放置的第三柱面鏡(403)、垂直放置的中心帶有狹縫的第一擋板(404),水平放置的中心帶有狹縫的第二擋板(406)、垂直放置的第二柱面鏡(408)和水平放置的第四柱面鏡(409)，所述的第一柱面鏡(402)、第二柱面鏡(408)為共焦放置，所述的第一擋板(404)的狹縫中心與所述的第一柱面鏡(402)和第二柱面鏡(408)的共焦線(405)重合；所述的第三柱面鏡(403)和第四柱面鏡(409)共焦放置，所述的第二擋板(406)的狹縫中心與所述的第三柱面鏡(403)和第四柱面鏡(409)的共焦線(407)重合，所述的第二擋板(406)、第三柱面鏡(403)和第四柱面鏡(409)構(gòu)成一體,該一體相對(duì)于第一柱面鏡(402)的距離(415)可根據(jù)所處系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求任意選取，但該距離不大于第一柱面鏡(402)的焦距。
3.一種線聚焦空間濾波器，其特征在于該裝置的構(gòu)成自左至右包括共光軸的第一兩維柱面鏡(502)、垂直放置的中心帶有狹縫的第一擋板(503)、水平放置的中心帶有狹縫的第二擋板(505)和第二兩維柱面鏡(507)，所述的第一兩維柱面鏡(502)和第二兩維柱面鏡(507 )為共焦放置，且第一兩維柱面鏡(502 )和第二兩維柱面鏡(507 )的垂直柱面分量和水平柱面分量分別共焦；所述第一擋板(503)的狹縫中心與所述的第一兩維柱面鏡(502)和第二兩維柱面鏡(507)的垂直分量的共焦線(504)重合；所述的第二擋板(505)的狹縫中心與所述的第一兩維柱面鏡(502 )和第二兩維柱面鏡(507 )的水平分量的共焦線(506 )重合。
【文檔編號(hào)】G02B27/09GK103543527SQ201310554401
【公開日】2014年1月29日 申請(qǐng)日期:2013年11月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月11日
【發(fā)明者】高妍琦, 馮偉, 曹兆棟, 楊學(xué)東, 夏蘭, 劉海輝, 馬偉新, 朱儉, 戴亞平 申請(qǐng)人:上海激光等離子體研究所