一種單光束動(dòng)態(tài)聚焦方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于激光設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域,具體地說涉及一種單光束動(dòng)態(tài)聚焦方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在激光慣性約束聚變的直接驅(qū)動(dòng)方式中,激光直接輻照在靶丸上,靶丸在內(nèi)爆過 程中不斷壓縮變小,激光束初始形成的焦斑與壓縮后的靶丸不再匹配,能量從靶丸邊緣流 失。此外,在直接驅(qū)動(dòng)中,靶丸上焦斑的交叉重疊會(huì)激發(fā)離子聲波,使得光束能量通過離子 聲波從當(dāng)前束轉(zhuǎn)移到鄰近束,破壞內(nèi)爆對(duì)稱性。
[0003] -般來說,不同的靶設(shè)計(jì)對(duì)焦斑尺寸的要求是不同的。例如,NIF裝置(國家點(diǎn)火裝 置)采用的靶丸直徑約2018μπι,壓縮過程的焦斑直徑約171 Ομπι,而點(diǎn)火的焦斑直徑約800μπι, 焦斑尺寸在壓縮過程中需減小約53%;羅徹斯特大學(xué)Omega釹玻璃激光裝置采用的靶丸直 徑約930μπι,壓縮過程的焦斑直徑約700μπι,點(diǎn)火采用長短軸直徑分別為288μπι與212μπι的橢 圓焦斑,焦斑尺寸需減小約64%。一般來說,在靶丸輻照初期,焦斑直徑約為靶丸直徑的0.9 倍,具有較好的輻照均勻性,隨著壓縮過程產(chǎn)生等離子體,焦斑直徑約為靶丸直徑的0.7~ 〇. 5倍,具有較高的吸收效率且滿足輻照均勻性要求。
[0004] 目前,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)聚焦的方法均是采用組束的方式。激光裝置將一個(gè)集束分為多束 光,每束光有各自的激光脈沖和焦斑形態(tài),在靶丸壓縮過程中隨時(shí)間打開或關(guān)閉每束光,逐 步減小焦斑尺寸,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)聚焦。然而,組束動(dòng)態(tài)聚焦為了實(shí)現(xiàn)與單脈沖壓縮相似的效果, 必須要對(duì)不同時(shí)刻出射的脈沖光束進(jìn)行精密的時(shí)間控制。另外,組束動(dòng)態(tài)聚焦是由各個(gè)很 短的子脈沖在時(shí)間上拼接而成,而裝置放大器在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)能量的提取效率有限,短脈 沖放大將大大降低裝置的輸出能力。因此,在靶丸壓縮過程中逐漸減小焦斑尺寸,即實(shí)現(xiàn)動(dòng) 態(tài)聚焦,對(duì)提高流體力學(xué)穩(wěn)定性和束靶耦合效率具有重要意義。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的種種不足,為了解決上述問題,現(xiàn)提出一種所需光學(xué)元件少、實(shí)現(xiàn) 功能多、易于操作、可實(shí)現(xiàn)化程度高、不存在短脈沖放大飽和降低激光系統(tǒng)輸出能力的單光 束動(dòng)態(tài)聚焦方法。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
[0007] -種單光束動(dòng)態(tài)聚焦方法,包括由激光源發(fā)射激光脈沖,所述激光脈沖經(jīng)過全息 光柵聚焦到靶丸,所述激光脈沖的波長呈增大趨勢(shì)變化,且所述波長的變化范圍與靶丸壓 縮變化過程中焦斑尺寸變化匹配。
[0008] 進(jìn)一步,所述激光源與全息光柵設(shè)置為同光軸結(jié)構(gòu),所述激光脈沖的波長為λ,所 述增大到λ2,且0.5nm < λζ-λχ < 1.5nm。
[0009] 進(jìn)一步,所述激光源處設(shè)置位相調(diào)制器,所述靶丸的壓縮變化時(shí)間為n,則所述位 相調(diào)制器對(duì)波長的調(diào)制頻率為
[0010]進(jìn)一步,所述全息光柵的制作過程包括以下步驟:
[0011] (1)選用熔石英作為基底,在基底上均勻涂上光刻膠;
[0012] ⑵采用波長均為λ〇的平行光和點(diǎn)光源在光刻膠表面干涉,且λ〇為所述激光脈沖的 中心波長,經(jīng)過顯影刻蝕操作,完成全息光柵的記錄過程,且h λ2 ;
[0013] (3)將波長為λ的激光脈沖從全息光柵的背面入射,當(dāng)λ = λ〇時(shí),在所述點(diǎn)光源位置 出現(xiàn)與其相同的像點(diǎn),當(dāng)λ矣λ〇時(shí),所述激光脈沖在不同的焦距處聚焦成像點(diǎn),且
,其中,fo為所述點(diǎn)光源與全息光柵中心的距離,其與激光脈沖的光束口徑、光 束空間排布匹配,f為激光脈沖的像點(diǎn)與全息光柵中心的距離。
[0014] 進(jìn)一步,所述點(diǎn)光源設(shè)置為離軸結(jié)構(gòu),其離軸角度Θ為10-20°。
[0015] 進(jìn)一步,當(dāng)λ = λ.,波長為\:的激光脈沖的像點(diǎn)與全息光柵中心的距離為心,則
;當(dāng)\ = \2時(shí),波長為\2的激光脈沖的像點(diǎn)與全息光柵中心的距離為f2,則
,則激光脈沖的波長從心增大到λ2產(chǎn)生的相對(duì)變焦量△ f為:
[0017]進(jìn)一步,所述波長為λ的激光脈沖在靶丸形成的焦斑尺寸為d,其在焦點(diǎn)形成的焦 斑尺寸為,所述d與的關(guān)系表達(dá)式為:
[0020] 根據(jù)靶丸壓縮變化過程中對(duì)焦斑尺寸的變化要求,求得λ,其中,D為全息光柵的有 效通光口徑。
[0021] 進(jìn)一步,所述激光脈沖的波長從λ:增大到λ2產(chǎn)生的理論最大波前變化為Δ L,則
[0022] 進(jìn)一步,沿著激光脈沖的傳輸方向,所述全息光柵的一側(cè)設(shè)置有波前探測器,所述 波前探測器與全息光柵中心的距離為S,且S = f2,所述波前探測器對(duì)焦斑的實(shí)際波前變化 進(jìn)行測量。
[0023]進(jìn)一步,所述實(shí)際波前變化的最大值為L,將L與Δ L進(jìn)行對(duì)比,若Δ L_0.02ym < L < Δ L+0.02μπι,說明焦斑的實(shí)際波前變化與理論波前變化一致,靶丸處焦斑實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)聚焦,并 且所述焦斑的動(dòng)態(tài)聚焦過程與靶丸壓縮變化過程匹配。
[0024] 本發(fā)明的有益效果是:
[0025] 1、本發(fā)明中激光脈沖通過全息光柵聚焦到靶丸上,全息光柵對(duì)激光脈沖可以同時(shí) 實(shí)現(xiàn)聚焦、色分離和動(dòng)態(tài)聚焦的功能,所需光學(xué)元件少,實(shí)現(xiàn)功能多。
[0026] 2、本發(fā)明中激光脈沖的波長由短變長,促使焦斑的尺寸隨著波長變化而減小,與 傳統(tǒng)的組束動(dòng)態(tài)聚焦方法相比,本發(fā)明產(chǎn)生不同尺寸焦斑的數(shù)量更多,焦斑的變化過程與 靶丸壓縮變化過程更加匹配。
[0027] 3、本方法采用單光束動(dòng)態(tài)聚焦,避免了組束動(dòng)態(tài)聚焦對(duì)各子脈沖精密的時(shí)間控制 問題,具有易于操作、可實(shí)現(xiàn)化程度高的特點(diǎn)。
[0028] 4、本發(fā)明中激光脈沖不是由子脈沖拼接而成,不存在短脈沖放大飽和降低激光系 統(tǒng)輸出能力的問題。
【附圖說明】
[0029] 圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖;
[0030] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例中,實(shí)際波前變化與波長的關(guān)系圖一;
[0031]圖3為本發(fā)明實(shí)施例中,實(shí)際波前變化與波長的關(guān)系圖二;
[0032] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例中,實(shí)際波前變化與波長的關(guān)系圖三;
[0033] 其中,圖2-4中的橫坐標(biāo)表示波長,單位為nm,其縱坐標(biāo)表示波前峰谷值,單位為μ m〇
[0034] 附圖中:激光源1、透鏡2、全息光柵3、波前探測器4、激光脈沖5、位相調(diào)制器6。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 為了使本領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案,下面結(jié)合本發(fā)明的附圖,對(duì) 本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述,基于本申請(qǐng)中的實(shí)施例,本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在 沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的其它類同實(shí)施例,都應(yīng)當(dāng)屬于本申請(qǐng)保護(hù)的范圍。
[0036] 實(shí)施例一:
[0037] 如圖1所示,一種單光束動(dòng)態(tài)聚焦方法,包括由激光源1發(fā)射激光脈沖5,所述激光 脈沖5經(jīng)過透鏡2擴(kuò)束成平行光,通過全息光柵3將平行光聚焦到靶丸,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)聚焦過程, 所述激光源1、透鏡2和全息光柵3設(shè)置為同光軸結(jié)構(gòu),采用單光束動(dòng)態(tài)聚焦,避免了組束動(dòng) 態(tài)聚焦對(duì)各子脈沖精密的時(shí)間控制問題,易于操作,可實(shí)現(xiàn)化程度高,同時(shí),激光脈沖5不是 由子脈沖拼接而成,不存在短脈沖放大飽和降低激光系統(tǒng)輸出能力的問題。
[0038] 所述激光脈沖5的波長呈增大趨勢(shì)變化,所述激光脈沖5的波長為λ,所述λ由入:增 大到λ2,且0.5nm < < 1.5nm,且所述波長的變化范圍與靶丸壓縮變化過程中焦斑尺寸 變化匹配。
[0039] 所述激光源1處設(shè)置位相調(diào)制器6,對(duì)激光脈沖5進(jìn)行展,所述靶丸的壓縮變化時(shí)間 為n,則所述位相調(diào)制器6對(duì)波長的調(diào)制頻率為
[0040] 所述全息光柵3的制作過程包括以下步驟:
[0041 ] (1)選用熔石英作為基底,在基底上均勻涂上光刻膠;
[0042] (2)采用波長均為λ〇的平行光和點(diǎn)光源在光刻膠表面干涉,且λ〇為激光脈沖5的中 心波長,所述中心波長為波長范圍內(nèi)能級(jí)最大的波長,經(jīng)過顯影刻蝕操作,完成全息光柵3 的記錄過程,且λ? < λ〇 <入2 ;
[0043] (3)將波長為λ的激光脈沖5從全息光柵3的背面入射,當(dāng)λ = λ〇時(shí),在所述點(diǎn)光源位 置出現(xiàn)與其相同的像點(diǎn),當(dāng)λ矣λ〇時(shí),所述激光脈沖5在不同的焦距處聚焦成像點(diǎn),且
其中,f〇為所述點(diǎn)光源與全息光柵中