一種用于靶點焦斑整形和光束勻滑的激光光路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于靶點焦斑整形和光束勻滑的激光光路，其特征在于，包括，入射激光束，凸透鏡，相位板，靶面，相位板由單軸晶體構成，且相位板的前后表面與單軸晶體的光軸平行，且前后表面的其中一面，其上有使用已有技術刻蝕的連續(xù)相位板面形；入射激光束進入光路時與凸透鏡表面垂直，其偏振方向與單軸晶體光軸夾45度角；相位板位于透鏡和靶面之間并靠近透鏡一側，且其上刻蝕有連續(xù)相位板面形的一面與靶面相對。本發(fā)明在不降低激光驅動器性能的前提下，保留了焦斑整形和偏振勻滑的功能，取代了連續(xù)相位板和偏振勻滑晶體板的組合，相比以前的方法更加簡潔；同時降低了光束通過光學元件的總厚度，可有效地降低光學元件的損傷風險。
【專利說明】一種用于靶點焦斑整形和光束勻滑的激光光路

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種在高功率固體激光驅動器中，應用激光遠場焦斑整形技術和光束 勻滑技術的光路系統(tǒng)，具體涉及一種用于靶點焦斑整形和光束勻滑的激光光路。

【背景技術】
[0002] 在高功率固體激光驅動器中，靶點焦斑整形和勻滑是激光驅動慣性約束聚變 (ICF)實驗中的關鍵技術。無論是在直接驅動還是在間接驅動中，為了提高靶的輻照均勻 性，降低激光等離子體作用過程中的各種不穩(wěn)定性，需要利用焦斑整形和光束勻滑技術獲 得特定形狀的激光焦斑且在一定焦深內保持焦斑的形狀和均勻性。目前用于焦斑整形的器 件是連續(xù)相位板（CPP)，其原理是給光束近場附加特定的空間相位分布，以獲得與之對應的 焦斑形狀。光束勻滑技術主要有光譜色散勻滑（SSD)和偏振勻滑（PS)。其中偏振勻滑利用 晶體的雙折射性質將光束分為偏振態(tài)相互垂直的兩束光進行非相干疊加，從而降低焦斑對 t 匕 。
[0003] 對連續(xù)相位板的研究已經比較成熟，Lin Y等人提出了利用連續(xù)相位板對焦斑進 行控制的方法（Opt. Lett. 21，1703(1996))。陳波等人針對慣性約束聚變的需求，對連續(xù) 相位板的設計進行了改進（光學學報，21，480(2001))。接著，李平提出了基于焦斑空間頻 譜控制的連續(xù)相位板設計，并在實驗中實現(xiàn)（強激光與粒子束，20, 1114(2008))，本發(fā)明專 利將在下面簡稱這篇論文為在先技術1。連續(xù)相位板可以令激光束產生特定形狀和輪廓的 焦斑，但焦斑內部存在大量散斑（speckle)，使得焦斑的均勻度下降，對比度增大。為了提 高激光輻照均勻性，需要對連續(xù)相位板產生的焦斑進行偏振勻滑。K. Tsubakimoto等人提 出利用偏振控制板壓縮散斑，提高焦斑均勻性的方法（Opt. Common. 91，9(1992))。接著， J. E. Rothenberg將偏振勻滑技術應用于ICF中，提出了應用雙折射晶體楔板實現(xiàn)焦斑勻滑 的方法（J. Appl. Phys. 87, 3654(2000))，本發(fā)明專利將在下面簡稱這篇論文為在先技術2。 另外，物理學報公開的一種利用晶體相位板同時實現(xiàn)焦斑整形和偏振勻滑技術，本發(fā)明專 利將在下面簡稱這篇論文為在先技術3。
[0004] 在高功率固體激光驅動器中，對靶點的焦斑整形和勻滑技術，采用在先技術1和 在先技術2的相位板組合，其缺點在于成本較高，且光束通過光學元件的總厚度較大，光學 元件的損傷風險較高；而使用在先技術3,其相位板主要采用的是將在先技術1和在先技術 2的面形進行疊加，以此完成對焦斑的整形和勻滑，其缺點在于相位板上的的楔面夾角的大 小，由經過相位板的激光脈沖能量波長、光束口徑、以及所述雙軸晶體的雙折射率來決定， 不同的激光脈沖能量波長、光束口徑需要不同楔面夾角的相位板，通用性不強，且加工工藝 較為復雜。


【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明設計公開了一種用于靶點焦斑整形和光束勻滑的激光光路，在有效解決上 述問題的同時，能可靠地實現(xiàn)在高功率固體激光驅動器中，對靶點上的焦斑的進行輪廓整 形和偏振勻滑。
[0006] 本發(fā)明提供的技術方案為：
[0007] -種用于靶點焦斑整形和光束勻滑的激光光路，其特征在于，包括，入
[0008] 射激光束，凸透鏡，相位板，靶面；其中，
[0009] 所述相位板由單軸晶體構成，且所述單軸晶體被加工成前后表面與單軸晶體的光 軸平行的晶體板，且所述晶體板前后表面的其中一面，其上有使用已有技術刻蝕的連續(xù)相 位板面形；
[0010] 所述入射激光束進入光路時與凸透鏡表面垂直，且其偏振方向與單軸晶體光軸夾 45度角；
[0011] 所述相位板位于透鏡和靶面之間并靠近透鏡一側，且其上刻蝕有連續(xù)相位板面形 的一面與靶面相對；
[0012] 所述入射激光束經凸透鏡聚焦后形成聚焦光束，且
[0013] 所述聚焦光束進入相位板后產生雙折射現(xiàn)象，被分成強度相等的尋常光（0光）和 非常光（e光），且所述尋常光（〇光）和非常光（e光）在出射時，光束上都帶有連續(xù)相位板 面形對應的相位分布，且
[0014] 所述尋常光（0光）和非常光（e光）因折射率不同，使得尋常光（0光）和非常光 (e光）的焦點在成像的位置上前后錯開，且所述焦點之間的距離有位移差Λζ;
[0015] 所述靶面的位置取位移差Λ ζ的中間值進行設置。
[0016] 優(yōu)選的是，所述相位板的制作方法為：
[0017] 步驟1，確定所述單軸晶體的光軸方向，
[0018] 步驟2,切割晶體，將所述單軸晶體前、后表面平行于單軸晶體光軸方向進行切割， 得到晶體板，
[0019] 步驟3,加工面形，將所述晶體板前、后表面的其中一面，使用已有連續(xù)相位板的面 形加工技術進行刻蝕。
[0020] 優(yōu)選的是，所述相位板中尋常光（〇光）和非常光（e光）的折射率不同，在出射后， 尋常光（〇光）和非常光（e光）之間有微小的偏移。
[0021] 優(yōu)選的是，所述尋常光（〇光）和非常光（e光）因相位板的折射，而產生焦點后移， 且因尋常光（〇光）和非常光（e光）的折射率不同，其所述焦點后移量也不同，從而使得尋 常光（〇光）和非常光（e光）的焦點在成像位置上前后錯開,且焦點之間的距離有位移差 Δ z〇
[0022] 優(yōu)選的是，所述靶面上尋常光（〇光）和非常光（e光）的分布不同，且尋常光（〇 光）和非常光（e光）的偏振態(tài)相互垂直，最終的焦斑分布為兩束光錯位后的非相干疊加。
[0023] 本發(fā)明在不降低激光驅動器性能的前提下，保留了焦斑整形和偏振勻滑的功能， 可以取代在先技術1的連續(xù)相位板和在先技術2的偏振勻滑晶體楔板的組合，將兩個光學 元件合二為一，減少器件；也可以取代在先技術3中將連續(xù)相位板面形和楔板面形相疊加， 達到焦斑整形和偏振勻滑的方法；本發(fā)明的激光光路，將相位板與透鏡的位置進行調換，先 將入射激光束進行聚焦，再對其分束，整合，相比以前的方法更加簡潔，成本更低；同時降低 了光束通過光學元件的總厚度，可有效地降低光學元件的損傷風險。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024] 圖1為本發(fā)明所述的一種用于靶點焦斑整形和光束勻滑的激光光路的光路示意 圖。
[0025] 圖2為本發(fā)明所述的一種用于靶點焦斑整形和光束勻滑的激光光路中相位板的 晶體光軸與入射激光束偏振方向的關系示意圖。
[0026] 圖3為本發(fā)明所述的一種用于靶點焦斑整形和光束勻滑的激光光路中相位板的 實施例的面形示意圖。
[0027] 圖4是本發(fā)明所述的一種用于靶點焦斑整形和光束勻滑的激光光路所得到的激 光焦斑強度分布圖。
[0028] 圖5是分別使用普通連續(xù)相位板光路和本發(fā)明所述的一種用于靶點焦斑整形和 光束勻滑的激光光路所得到的激光焦斑強度分布圖。
[0029] 圖6是圖5中激光焦斑的一維分布所得結果的對比圖。
[0030] 圖7是使用本發(fā)明的一種用于靶點焦斑整形和光束勻滑的激光光路和分別使用 普通連續(xù)相位板、普通連續(xù)相位板與偏振勻滑晶體楔板組合的光路，三種情況下所得焦斑 高于某強度的能量份額曲線對比圖。

【具體實施方式】
[0031] 下面結合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明，以令本領域技術人員參照說明書文 字能夠據以實施。為簡便，后文中以CPP表示普通連續(xù)相位板，以CPP and PS表示普通連 續(xù)相位板和偏振勻滑晶體楔板的組合，以PS&CPP表示本發(fā)明的一種用于靶點焦斑整形和 光束勻滑的激光光路中的相位板。
[0032] -種用于靶點焦斑整形和光束勻滑的激光光路，如圖1所示，入射光場L與凸透 鏡（1)表面垂直，經凸透鏡（1)聚焦后形成聚焦光束，聚焦光束在通過PS&CPP(2)時，被 PS&CPP(2)分成強度相等尋常光（〇光）和非常光（e光），且因 PS&CPP(2)上刻有連續(xù)相位 面形，所以尋常光（〇光）和非常光（e光）在經過PS&CPP (2)時，兩束光都帶有連續(xù)相位板 面形對應的相位分布，焦斑得到整形；因 PS&CPP(2)中尋常光（〇光）和非常光（e光）的折 射率不同，而使得光束在出射時光束之間有微小的平移，且兩束光由于PS&CPP(2)的折射， 使得尋常光（〇光）和非常光（e光）的成像焦點產生焦點后移，且因兩束光的折射率不同， 其聚焦的焦點后移量也不同，從而使得兩束光的焦點成像位置錯開，非常光（e光）的焦點 成像位置上有焦平面（4)，尋常光（〇光）的焦點成像位置上有焦平面（5)，且焦平面（4)和 焦平面（5)之間有位移差Λζ，靶面（3)取焦平面（4)和焦平面（5)的中間值。由于尋常 光（〇光）和非常光（e光）的偏振態(tài)相互垂直，所以最終投射在靶面（3)的焦斑分布為兩 束光錯位后的非相干疊加，達到了偏振勻滑的效果。
[0033] -種用于靶點焦斑整形和光束勻滑的激光光路的實施例：
[0034] 以單軸晶體KDP為例，PS&CPP的制作方法分為三個步驟，確定KDP晶體的光軸方 向；切割晶體，如圖1所示，將KDP晶體前后表面平行于KDP晶體的光軸方向（圖中y方向） 進行切割，得到KDP晶體板；加工面形，將KDP晶體板的其中一面，使用已有在先技術1面形 加工技術進行刻蝕。獲得的面形分布如圖2中的實施例所示，其中圖2中縱坐標已將基底 厚度扣除，其最終相位板的厚度分布函數為：
[0035] D (x, y) = D〇+DCPP (x, y)
[0036] 其中，％為晶體基底厚度，DOT(x，y)為連續(xù)相位板面形，可通過在先技術1中的設 計方法獲得，得到PS&CPP成品。
[0037] 設入射光場為單色線偏振簡諧波，偏振方向與PS&CPP成品中的光軸夾45度角 (如圖1所示），其空間分布為口徑L的方形均勻光場：
[0038]

【權利要求】
1. 一種用于靶點焦斑整形和光束勻滑的激光光路，其特征在于，包括， 入射激光束，凸透鏡，相位板，靶面；其中， 所述相位板由單軸晶體構成，且所述單軸晶體被加工成前后表面與單軸晶體的光軸平 行的晶體板，且所述晶體板前后表面的其中一面，其上有使用已有技術刻蝕的連續(xù)相位板 面形； 所述入射激光束進入光路時與凸透鏡表面垂直，且其偏振方向與單軸晶體光軸夾45 度角； 所述相位板位于透鏡和靶面之間并靠近透鏡一側，且其上刻蝕有連續(xù)相位板面形的一 面與靶面相對； 所述入射激光束經凸透鏡聚焦后形成聚焦光束，且 所述聚焦光束進入相位板后產生雙折射現(xiàn)象，被分成強度相等的尋常光（〇光）和非常 光（e光），且所述尋常光（〇光）和非常光（e光）在出射時，光束上都帶有連續(xù)相位板面形 對應的相位分布，且 所述尋常光（〇光）和非常光（e光）因折射率不同，使得尋常光（〇光）和非常光（e 光）的焦點在成像的位置上前后錯開，且所述焦點之間的距離有位移差ΔΖ; 所述靶面的位置取位移差Λζ的中間值進行設置。
2. 如權利要求1所述的一種用于靶點焦斑整形和光束勻滑的激光光路，其特征在于， 所述相位板的制作方法為： 步驟1，確定所述單軸晶體的光軸方向， 步驟2,切割晶體，將所述單軸晶體前、后表面平行于單軸晶體光軸方向進行切割，得到 晶體板， 步驟3,加工面形，將所述晶體板前、后表面的其中一面，使用已有連續(xù)相位板的面形加 工技術進行刻蝕。
3. 如權利要求1、2所述的一種用于靶點焦斑整形和光束勻滑的激光光路，其特征在 于，所述相位板中尋常光（〇光）和非常光（e光）的折射率不同，在出射后，尋常光（〇光） 和非常光（e光）之間有微小的偏移。
4. 如權利要求1、2、3所述的一種用于靶點焦斑整形和光束勻滑的激光光路，其特征在 于，所述尋常光（〇光）和非常光（e光）因相位板的折射，而產生焦點后移，且因尋常光（〇 光）和非常光（e光）的折射率不同，其所述焦點后移量也不同，從而使得尋常光（〇光）和 非常光（e光）的焦點在成像位置上前后錯開,且焦點之間的距離有位移差Δζ。
5. 如權利要求1、2、3、4所述的的一種用于靶點焦斑整形和光束勻滑的激光光路，其特 征在于，所述靶面上尋常光（〇光）和非常光（e光）的分布不同，且尋常光（〇光）和非常 光（e光）的偏振態(tài)相互垂直，最終的焦斑分布為兩束光錯位后的非相干疊加。
【文檔編號】G02B27/28GK104102009SQ201410255412
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年6月10日 優(yōu)先權日:2014年6月10日
【發(fā)明者】耿遠超, 李平, 張穎, 黃晚晴, 王文義, 劉蘭琴, 粟敬欽, 鄭萬國 申請人:中國工程物理研究院激光聚變研究中心