一種脈沖激光變焦輻照裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種脈沖激光變焦輻照裝置，直接由電光削波開關(guān)的格蘭棱鏡同時實現(xiàn)光脈沖的分束與波形分割，采用等光程的光路設(shè)計以保證合束后光脈沖的保真度，采用焦距相等的透鏡和大小不同的物孔光闌實現(xiàn)焦斑的變化，與傳統(tǒng)裝置相比，使用了更少的電光削波開關(guān)，大大提高了入射光脈沖能量的利用率，并具有可擴(kuò)展性，可得多臺階的光束變焦輻照。
【專利說明】一種脈沖激光變焦輻照裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種激光輻照裝置，尤其是一種光斑在納秒量級尺度內(nèi)隨時間階梯變化、適用于基于像傳遞技術(shù)的準(zhǔn)分子激光變焦輻照裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]激光變焦輻照可使得激光焦斑在同一個脈沖時間內(nèi)隨時間快速變化，通常情況下光斑在一個脈沖時長內(nèi)先大后小，在激光直接驅(qū)動聚變中可使得激光焦斑隨內(nèi)爆靶丸縮小，從而提高激光與靶的耦合效率。
[0003]對于準(zhǔn)分子激光而言，目前國際上主要采用美國海軍實驗室的Lehmberg等(Fus1n Technology, 1987, Vol.11, p532_541)所提出的基于像傳遞技術(shù)和電光開關(guān)削波的變焦輻照技術(shù)，該實驗室于2013年報道了變焦輻照相關(guān)的實驗(Kehne，et al., Reviewof Scientific Instruments, 2013.84(1):p.013509)。該技術(shù)采用“分束片分束一電光削波開關(guān)波形切割一不同大小物孔成像一合束”的技術(shù)路線。該技術(shù)路線的缺陷在于:
[0004]一、先分束、后切割波形使得入射光脈沖的能量沒有充分利用，即在每一路光切割波形的過程中均存在光脈沖的能量浪費；
[0005]二、由于在切割波形的過程中，各子束之間沒有直接的關(guān)聯(lián)，因此在合束后所形成的光脈沖很難復(fù)原入射光脈沖波形。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提出了一種基于電光削波開關(guān)直接分束并切割脈沖波形的方法，同時保證各子光路總光程相等，以解決分束和切割波形過程所帶來的能量損失和波形失真問題，只用一套電光削波開關(guān)就實現(xiàn)二臺階變焦輻照。同時，在子光束中以不同大小物孔與成像透鏡配合，以實現(xiàn)焦斑隨時間的變化。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容如下:
[0008]一種脈沖激光變焦輻照裝置，包括光分割單元、像傳遞單元和光合束成像單元；光分割單元包括起偏器、電光晶體、檢偏器和反射光反射鏡，像傳遞單元包括透射光路光闌、透射成像透鏡、反射光闌和反射成像透鏡，光合束成像單元包括透射光反射鏡、合束起偏器和輸出成像鏡；
[0009]脈沖激光依次經(jīng)起偏器、電光晶體和檢偏器；從檢偏器輸出的透射光依次入射至透射光路光闌、透射成像透鏡和透射光反射鏡后，入射至合束起偏器，再經(jīng)輸出成像鏡輸出；
[0010]從檢偏器輸出的反射光經(jīng)反射光反射鏡、反射光路光闌、反射成像透鏡后入射至合束起偏器，在合束起偏器內(nèi)與透射光合束，合束光經(jīng)輸出成像鏡輸出；
[0011]電光晶體與其驅(qū)動電源電聯(lián)接，驅(qū)動源與脈沖激光有固定的時間延遲，以獲得穩(wěn)定的同步；透射光和反射光在檢偏器和合束起偏器之間的光程相等。
[0012]上述脈沖激光變焦輻照裝置中，起偏器、檢偏器和合束起偏器均為格蘭棱鏡。
[0013]上述脈沖激光變焦輻照裝置中，電光晶體為KD*P晶體。
[0014]上述脈沖激光變焦輻照裝置中，透射光闌置于透射成像透鏡的前焦點處；反射光闌置于反射成像透鏡的前焦點處。
[0015]上述脈沖激光變焦輻照裝置中，透射光闌的直徑小于反射光闌的直徑，且二者都小于等于光束半徑。
[0016]上述脈沖激光變焦輻照裝置中，電光晶體的驅(qū)動電源觸發(fā)電信號的時間寬度大于激光脈沖寬度的一半，且與激光脈沖之間有固定的時間延遲。
[0017]上述脈沖激光變焦輻照裝置中，脈沖激光為準(zhǔn)分子激光。
[0018]本發(fā)明具有的有益技術(shù)效果如下:
[0019]一、只用一套電光削波開關(guān)就實現(xiàn)二臺階變焦輻照，而原有的技術(shù)方案中，實現(xiàn)二臺階變焦輻照至少需要二套電光削波開關(guān)；
[0020]二、入射光脈沖能量被完全利用，解決了原方案中分束和切割波形過程所帶來的能量損失和波形失真問題；
[0021]三、本發(fā)明還具有可擴(kuò)展性，根據(jù)需要，也可按照相同的分束原理及成像原理，繼續(xù)增加子光路個數(shù)，獲得三臺階、甚至更多臺階的變焦輻照。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明二臺階激光變焦裝置的原理圖；
[0023]圖2為二臺階變焦輻照過程中光脈沖在前后時間段內(nèi)焦斑示意圖。
[0024]附圖標(biāo)記如下:
[0025]I—起偏器，2 —電光晶體，3—檢偏器，4一透射光路光闌，5—透射成像透鏡，6—透射光反射鏡，7—反射光反射鏡，8—反射光路光闌，9一反射成像透鏡，10—合束起偏器，11一輸出成像鏡，13一透射光，14一反射光，17一光脈沖前半段時刻焦斑，18一光脈沖后半段時刻焦斑。

【具體實施方式】
[0026]脈沖激光的變焦輻照就是實現(xiàn)在一個激光脈沖時間內(nèi)的焦斑大小發(fā)生變化的輻照，如圖2所示。其核心在于使一個光脈沖的不同位置具有不同的波前，從而使其在聚焦時焦斑隨時間改變，這一般需要三部分:光脈沖分束和分割、對分束的光脈沖造物孔并像傳遞、光脈沖合束并成像。
[0027]本發(fā)明的基本構(gòu)思是:鑒于光脈沖波形的分割需要用到電光削波開關(guān)(即文獻(xiàn)“Review of Scientific Instruments, 2013,84,013509，，中的 Pocekels 盒及起偏器、檢偏器)，即“起偏器一電光晶體一檢偏器”結(jié)構(gòu)，可以直接利用檢偏棱鏡作為分光鏡，同時實現(xiàn)光脈沖的分束和分割，這樣，入射的光脈沖就可以完全被分配到各路子光束中，避免了入射激光能量的損失，同時保證了各子束在等光程疊加時能夠恢復(fù)成入射脈沖。
[0028]為此本發(fā)明設(shè)計了脈沖激光變焦輻照裝置，如圖1所示，包括光分割單元20、像傳遞單元30和光合束成像單元40，分別實現(xiàn)光脈沖分束與分割、對分束的光脈沖造物孔并像傳遞、光脈沖合束并成像的功能。
[0029]光分割單元20的作用是將一個光脈沖分割為透射光束13和反射光束14兩個子脈沖，在波形上它們是入射光脈沖的前后兩子部分，被分割后沿不同光路傳輸；像傳遞單元30的作用是在透射光13和反射光14中造出兩個大小不同的物孔，并經(jīng)透鏡成像傳遞，即通過像傳遞單元后的兩個子脈沖具有不同的光束和波前；合束成像單元40的作用是將透射光13和反射光14等光程合束,合束后的光脈沖波形與入射脈沖近似相同,且由于合束后光脈沖前后兩部分具有不同的光束和波前，在經(jīng)輸出成像鏡11后，透射光13和反射光14在輸出成像鏡11焦面上的焦斑將不同，再考慮到二者在時間上是分開的，所以在輸出成像鏡焦面上的焦斑大小是隨時間呈臺階變化的，從而實現(xiàn)變焦輻照。
[0030]光分割單兀20包括起偏器1、電光晶體2、檢偏器3和反射光反射鏡7。將隨機(jī)偏振態(tài)的光脈沖入射至光分割單元20，其中起偏器I與檢偏器3的偏振方向垂直，透過起偏器I的光偏振態(tài)為起偏器I的偏振態(tài)；如果入射光脈沖為偏振光，則沿光軸旋轉(zhuǎn)起偏器I的姿態(tài)，使之與入射光的偏振方向相同，以保證入射光最大程度地透過起偏器)，此時仍需保證檢偏器3與起偏器I的偏振方向垂直。
[0031]電光晶體2的主軸方向與起偏器I的偏振方向相同，在光脈沖的前半部分穿過電光晶體2的過程中，晶體上未施加電壓，此時電光晶體2相當(dāng)于一塊普通的玻璃，不改變光的偏振態(tài)，那么該部分光將被檢偏器3全部反射,經(jīng)反射光反射鏡7反射而成為反射光14。在光的后半部分經(jīng)過電光晶體2時，在電光晶體2上施加該晶體的半波電壓，驅(qū)動電壓的上升沿時間小于1ns，時間長度大于光脈沖寬度的一半，以保證后半部分光脈沖穿過時均處于工作狀態(tài)。此時電光晶體2相當(dāng)于半波片，透過電光晶體2的這部分光脈沖偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90度，則這部分光的偏振態(tài)與檢偏器3相同，能夠透過檢偏器3成為透射光13，從而同時實現(xiàn)了光脈沖的分束與分割。為保證電光晶體2驅(qū)動電壓脈沖與光脈沖之間存在穩(wěn)定的同步，一般用相同的觸發(fā)源經(jīng)固定的時間延遲同步觸發(fā)激光脈沖和電光晶體2的驅(qū)動源。
[0032]像傳遞單元30包括透射光路光闌4、透射成像透鏡5、反射光闌8、反射成像透鏡9。為實現(xiàn)不同大小像的傳遞，本發(fā)明采用的方法是在透射光路13和反射光路14中分別插入透射成像透鏡5和反射成像透鏡9，透鏡焦距相等，在透鏡的前焦點處分別插如透射光路光闌4和反射光路光闌8,透射光路光闌4的孔徑半徑小于反射光路光闌8,同時入射光脈沖的束斑不小于二光闌孔徑。根據(jù)成像關(guān)系，透射光脈沖13和反射光脈沖14的波前分別被光闌4和8所調(diào)制，光波前信息中包含了光闌孔徑的信息。當(dāng)兩束子脈沖光再次穿過凸透鏡時，則在其后焦面上將成與物孔直徑呈比例的像。
[0033]光合束成像單兀40包括透射光反射鏡6、合束起偏器10和輸出成像鏡11。由于兩路光的偏振方向互相垂直，因此可以采用偏振棱鏡實現(xiàn)合束，即透射光13光經(jīng)透射光反射鏡6反射、與反射光14經(jīng)由合束起偏器10合束。為保證兩路光的光程相等，由檢偏器3分光到合束起偏器10合束，采用接近于矩形的平行四邊形結(jié)構(gòu)，光程的微小差別通過調(diào)節(jié)透射光反射鏡6至透射光成像透鏡5之間的距離實現(xiàn)。兩個光脈沖合束后，在合束光路上插入輸出成像鏡11，根據(jù)成像關(guān)系，在輸出成像鏡11的焦面上將成透射光路光闌4和反射光路光闌8的像?？紤]到透射光13與反射光14在時間上是有前后之分，且二者合束后在時間緊密相連，在空間光路上重合，因此在一個脈沖時間內(nèi)就可獲得焦點變化的輻照，即變焦輻照。
[0034]對于光束的分割與分束，需要說明的是，以上只是將脈沖一次分割的情況，也可根據(jù)實際需要更多次地分割和分束，這樣就需要N-1 (N為分割的子束數(shù)目)套電光削波開關(guān)。也可根據(jù)需要非等分光脈沖，此時需要精細(xì)調(diào)節(jié)電光晶體施加電壓的脈寬以及與光脈沖之間的同步關(guān)系，一般而言，需要借助精密的時間延遲器。同時也可根據(jù)需要，通過調(diào)節(jié)各電光晶體電壓與光脈沖之間的同步關(guān)系，將入射光脈沖的不同部分進(jìn)入任意的光路，如也可將光脈沖的前半部分進(jìn)入第一路、后半部分進(jìn)入第二路。
[0035]此外，本發(fā)明不僅適用于準(zhǔn)分子脈沖激光，也適用于一般的脈沖光；不僅適用于二臺階變焦輻照，也適用于更多臺階的變焦輻照。只要采用了上述設(shè)計思想和光學(xué)結(jié)構(gòu)，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種脈沖激光變焦輻照裝置，其特征在于:包括光分割單元(20)、像傳遞單元(30)和光合束成像單元(40)； 所述的光分割單兀(20)包括起偏器(I)、電光晶體(2)、檢偏器(3)和反射光反射鏡(7)，所述的像傳遞單元(30)包括透射光路光闌(4)、透射成像透鏡(5)、反射光闌(8)和反射成像透鏡(9)，所述的光合束成像單元(40)包括透射光反射鏡￠)、合束起偏器(10)和輸出成像鏡(11); 脈沖激光依次入射至起偏器(I)、電光晶體(2)和檢偏器(3)； 從檢偏器(3)輸出的透射光(13)依次入射至透射光路光闌(4)、透射成像透鏡(5)和透射光反射鏡(6)后，入射至合束起偏器(10)，再經(jīng)輸出成像鏡(11)輸出； 從檢偏器(3)輸出的反射光(14)經(jīng)反射光反射鏡(7)、反射光路光闌(8)、反射成像透鏡(9)后入射至合束起偏器(10)，在合束起偏器(10)內(nèi)與透射光合束，合束光經(jīng)輸出成像鏡(11)輸出； 所述的電光晶體(2)與其驅(qū)動電源電聯(lián)接；所述的透射光(13)和反射光(14)在檢偏器⑶與合束起偏器(10)之間的光程相等。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖激光變焦輻照裝置，其特征在于:所述的起偏器(I)、檢偏器(3)和合束起偏器(10)均為格蘭棱鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖激光變焦輻照裝置，其特征在于:所述的電光晶體(2)為KD*P晶體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖激光變焦輻照裝置，其特征在于:所述的透射光闌(4)置于透射成像透鏡(5)的前焦點處；所述的反射光闌(8)置于反射成像透鏡(9)的前焦點處。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的脈沖激光變焦輻照裝置，其特征在于:所述的透射光闌(4)直徑小于反射光闌(8)的直徑，且二者都小于等于光束半徑。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖激光變焦輻照裝置，其特征在于:所述電光晶體⑵的驅(qū)動電源觸發(fā)電信號的時間寬度大于激光脈沖寬度的一半，且與激光脈沖之間有固定的時間延遲。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖激光變焦輻照裝置，其特征在于:所述的脈沖激光為準(zhǔn)分子激光。
【文檔編號】G02F1/03GK104460052SQ201410727812
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月3日
【發(fā)明者】朱永祥, 趙學(xué)慶, 胡云, 王大輝, 張永生 申請人:西北核技術(shù)研究所