專利名稱：激光束非線性傳輸特性的測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光束傳輸特性的測(cè)量，特別是一種激光束非線性傳輸特性的測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
在激光慣性約束聚變中，非線性自聚焦效應(yīng)是限制激光輸出功率和破壞光束質(zhì)量的主要因素之一，其中小尺度自聚焦效應(yīng)的破壞性更大，這種因小的位相和振幅調(diào)制引起 的局部非線性折射率使光束變得局部不穩(wěn)定，使光束分裂成一根根強(qiáng)度很高的細(xì)絲，導(dǎo)致 激光介質(zhì)的局部破壞。研究小尺度自聚變?cè)诜蔷€性介質(zhì)中的產(chǎn)生過(guò)程和條件，對(duì)避免光學(xué) 元件的損傷破壞，提高激光輸出功率有重要的指導(dǎo)作用。1966年，Baspalov和Talanov首次提出了小尺度自聚焦的線性擾動(dòng)不穩(wěn)定性理 論，即B-T理論。該理論假定橫截面上平均光強(qiáng)是常數(shù)，并在傳輸過(guò)程中不隨傳輸距離的增 長(zhǎng)而增長(zhǎng)(或衰減)。在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出小尺度擾動(dòng)的傳輸方程，進(jìn)而得到最快增長(zhǎng)頻率、 最大增長(zhǎng)系數(shù)以及B積分等著名結(jié)果。隨后，一系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了 B-T理論的正確性，從此 該理論被用于指導(dǎo)高功率激光驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)，也成為分析小尺度自聚焦現(xiàn)象的理論基礎(chǔ)。 但他們實(shí)驗(yàn)所用的都是特定空間頻率的調(diào)制場(chǎng)，沒(méi)有反映空間頻率與非線性效應(yīng)之間的關(guān) 系。為了更好地研究激光的非線性傳輸特性，需要一種空間頻率方便可調(diào)的干涉場(chǎng)來(lái)作為 非線性傳輸實(shí)驗(yàn)的入射場(chǎng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種激光束非線性傳輸特性的測(cè)量裝置，以實(shí)現(xiàn)激光在非 線性介質(zhì)中的傳輸特性的測(cè)量，尤其可以直觀地檢測(cè)到空間頻率與小尺度自聚焦效應(yīng)的關(guān) 系曲線。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種激光束非線性傳輸特性的測(cè)量裝置，其特點(diǎn)在于由激光器、可調(diào)衰減片、半透 半反鏡、全反鏡、第一反射衰減器、步進(jìn)電機(jī)、非線性介質(zhì)盒、第二反射衰減器、第三反射衰 減器、第一 CXD和第二 CXD組成，上述元部件的位置關(guān)系如下在所述的激光器的激光束輸出方向依次是所述的可調(diào)衰減片、半透半反鏡和第一 反射衰減器，該半透半反鏡與所述的激光束成45°，該第一反射衰減器由所述的步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動(dòng)進(jìn)行小角度旋轉(zhuǎn)，以調(diào)整經(jīng)所述的半透半反鏡的透射光束對(duì)所述的第一反射衰減器的 入射角度；在所述的半透半反鏡的反射方向正交地設(shè)置所述的全反鏡，所述的半透半反鏡 到所述的全反鏡的光程與半透半反鏡到所述的第一反射衰減器的光程相等；經(jīng)所述的激光器輸出的激光束經(jīng)可調(diào)衰減片進(jìn)入半透半反鏡，該半透半反鏡將激 光束分為透射的第一光束和反射的第二光束，所述的第二光束垂直地入射到所述的全反鏡 反射后透過(guò)所述的半透半反鏡，所述的第一光束經(jīng)第一反射衰減器反射后經(jīng)所述的半透半 反鏡反射后與透過(guò)所述的半透半反鏡的第二光束合成為合束光束；
在所述合束光束的前進(jìn)方向依次是非線性介質(zhì)盒和第三反射衰減器，所述的非線性介質(zhì)盒的入射表面為一斜面，在該斜面的反射方向是所述的第二反射衰減器，在第二反 射衰減器的反射方向是所述的第一 CCD，在所述的第三反射衰減器的反射方向是所述的第 二 CCD。所述的非線性介質(zhì)盒內(nèi)充滿非線性介質(zhì)CS2或其它非線性介質(zhì)。所述的第三反射衰減器由一個(gè)以上反射衰減器組成。所述的激光器是鈦寶石激光器，或其它激光器。本發(fā)明的技術(shù)效果1、本發(fā)明采用邁克爾遜干涉儀的分束光路使光束分成兩束，然后分別經(jīng)反射鏡反 射后疊加，用步進(jìn)電機(jī)控制第一反射鏡的小角度旋轉(zhuǎn)，用非線性介質(zhì)產(chǎn)生非線性效應(yīng)，用光 電耦合器件(CCD)接收光場(chǎng)，去探測(cè)光場(chǎng)的分布。采用邁克爾遜干涉儀的分束光路，用于保證分束后的兩個(gè)光場(chǎng)所經(jīng)過(guò)的光程相 等，并可對(duì)光場(chǎng)進(jìn)行空間補(bǔ)償；2、所述衰減器為可調(diào)衰減片，用于調(diào)節(jié)激光束進(jìn)入非線性介質(zhì)之前的功率；所述 的半透半反鏡，用于激光分束，將光場(chǎng)分為擾動(dòng)光場(chǎng)和本底光場(chǎng)；第一反射衰減器用于保證 擾動(dòng)場(chǎng)的振幅遠(yuǎn)小于本底場(chǎng)的振幅；第二、第三反射衰減器用于保證進(jìn)入CCD的激光功率 不會(huì)超過(guò)其可承受的閾值。3、所述非線性介質(zhì)是CS2，非線性折射率為Ii2 = 1. 12 X IiT11esu,封裝CS2W容器窗 口做成斜面，用于光束進(jìn)行非線性傳輸之前的取樣測(cè)量。4、所述步進(jìn)電機(jī)為高分辨率的旋轉(zhuǎn)角度步進(jìn)電機(jī)，用于保證空間頻率的微小調(diào) 制；調(diào)制光場(chǎng)的空間頻率由第一反射衰減器的轉(zhuǎn)角決定，從而用步進(jìn)電機(jī)控制第一反射衰 減器的小角度旋轉(zhuǎn)可以實(shí)現(xiàn)調(diào)制光場(chǎng)空間頻率的實(shí)時(shí)連續(xù)可調(diào)。轉(zhuǎn)動(dòng)第一反射衰減器就可 以在CCD上直接觀察并檢測(cè)到激光束的非線性傳輸特性隨空間頻率變化。


圖1是本發(fā)明激光束非線性傳輸特性的測(cè)量裝置的光路示意圖
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。先請(qǐng)參閱圖1，由圖可見(jiàn)，本發(fā)明激光束非線性傳輸特性的測(cè)量裝置，由激光器1、 可調(diào)衰減片2、半透半反鏡3、全反鏡4及第一反射衰減器5、步進(jìn)電機(jī)6、非線性介質(zhì)盒7、第 二反射衰減器8、第三反射衰減器10、第一 (XD9和第二 (XD12組成，上述元部件的位置關(guān)系 如下在所述的激光器1的激光束輸出方向依次是所述的可調(diào)衰減片2、半透半反鏡3和 第一反射衰減器5，該半透半反鏡3與所述的激光束成45°，該第一反射衰減器5由所述的 步進(jìn)電機(jī)6驅(qū)動(dòng)進(jìn)行小角度旋轉(zhuǎn)，以調(diào)整經(jīng)所述的半透半反鏡3的透射光束對(duì)所述的第一 反射衰減器5的入射角度；在所述的半透半反鏡3的反射方向正交地設(shè)置所述的全反鏡4， 所述的半透半反鏡3到所述的全反鏡4的光程與半透半反鏡3到所述的第一反射衰減器5的光程相等；所述的激光器1輸出的激光束經(jīng)可調(diào)衰減片2進(jìn)入半透半反鏡3，該半透半反鏡3 將激光束分為透射的第一光束和反射的第二光束，所述的第二光束垂直地入射到所述的全 反鏡4反射后透過(guò)所述的半透半反鏡3，所述的第一光束經(jīng)第一反射衰減器5反射后經(jīng)所述 的半透半反鏡3反射后與透過(guò)所述的半透半反鏡3的第二光束合成為合束光束；在所述合束光束的前進(jìn)方向依次是非線性介質(zhì)盒7和第三反射衰減器10，所述的 非線性介質(zhì)盒7的入射表面為一斜面，在該斜面的反射方向是所述的第二反射衰減器8，在 第二反射衰減器8的反射方向是所述的第一CCD9，在所述的第三反射衰減器10的反射方向 是所述的第二 (XD12。根據(jù)BT理論，將受調(diào)制的光場(chǎng)分解為強(qiáng)的本底場(chǎng)與弱的擾動(dòng)場(chǎng)之和E (x, y, ζ, t) = Es (ζ, t) [1+ ε (χ, y, ζ, t) ] (1)其中，Es(ζ，t)是電場(chǎng)在橫截面上的平均值，在垂直于光束傳輸方向的xy平面上 振幅與位相均勻分布，ε (x,y,z,t)是擾動(dòng)場(chǎng)的歸一化值無(wú)量綱，且滿足弱調(diào)制條件I ε << 1，于是求解E(x，y，ζ, t)的問(wèn)題分解為分別求本底場(chǎng)Es(z，t)和擾動(dòng)場(chǎng)ε (χ, y，ζ, t)。對(duì)傳播方向成夾角θ χ的兩個(gè)光場(chǎng)E1 = A1 expHwt+Φ) (2)E2 = A2expθ χ) (3)取E1的方向?yàn)閭鞑シ较?，?dāng)O1 = Φ2，Α2 = BA1時(shí)，兩光場(chǎng)疊加后的調(diào)制場(chǎng)為E = E^E2 = Aexp (-jwt) {1+aexp [_j (Φ+ksin θ χ)]}從上式可以看出此時(shí)的調(diào)制光場(chǎng)與BT理論中的受調(diào)制光場(chǎng)的分解式(1)在形式 上是相同的。當(dāng)a<< 1時(shí)，在這里可以把光場(chǎng)E1看作是本底光場(chǎng)，E2看作是擾動(dòng)場(chǎng)，且擾 動(dòng)場(chǎng)的空間頻率為qx = ksin 6x(k = 2π/λ0),由兩個(gè)光場(chǎng)的夾角θ χ所決定。小尺度自聚焦特性主要由其截止頻率、最快增長(zhǎng)頻率、B積分、調(diào)制場(chǎng)的增益隨輸 入功率、傳輸距離的變化來(lái)表征。圖1也是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的附圖，所述的激光器1為鈦寶石激光器，輸出激光脈 沖，可調(diào)衰減器2可將脈沖功率的調(diào)節(jié)范圍為2mW 800mW。第一反射衰減器5的反射率以 保證反射后的光強(qiáng)與反射前相比，遠(yuǎn)小于1。第一反射衰減鏡5的角度由步進(jìn)電機(jī)6來(lái)控 制，通過(guò)調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)6來(lái)獲得不同空間頻率的調(diào)制光場(chǎng)。由于第一反射衰減鏡5的角度 非常小，因此步進(jìn)電機(jī)6要選用角分辨率高的旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)。所述的非線性介質(zhì)盒7充滿 二硫化碳介質(zhì)，所述的合光束進(jìn)入二硫化碳介質(zhì)之前要進(jìn)行采樣測(cè)量，將封裝二硫化碳液 體的容器7的窗口做成有一個(gè)小角度的斜面，所述的合光束經(jīng)該斜面反射當(dāng)作采樣光束， 采樣光束經(jīng)第二反射衰減器8反射后進(jìn)入第一 (XD9。第一 (XD9所檢測(cè)的是非線性傳輸之 前的光場(chǎng)分布。所述的合光束通過(guò)二硫化碳介質(zhì)之后經(jīng)第三反射衰減器10反射后進(jìn)入第 二 CCD11，所述的第三反射衰減器的衰減度要保證輸出的光強(qiáng)不會(huì)超過(guò)第二 CCD12可承受 的閾值。在第二 CCD12可以觀察到脈沖經(jīng)過(guò)非線性二硫化碳介質(zhì)傳輸后的光場(chǎng)分布。第二 CCD12中測(cè)的的光強(qiáng)分布與第一 CCD9中的光強(qiáng)分布的比值即是調(diào)制場(chǎng)的增益分布。在此裝置中，α為第一反射衰減器5在步進(jìn)電機(jī)的控制下由原始狀態(tài)(垂直)所 旋轉(zhuǎn)的角度，干擾場(chǎng)與本底場(chǎng)的夾角θχ = 2α，因而調(diào)節(jié)所述的步進(jìn)電機(jī)6即可使光場(chǎng)的空間頻率(qx = ksin θ J隨之改變。調(diào)節(jié)所述的步進(jìn)電機(jī)6，觀察第二 (XD12中的光強(qiáng)分布，當(dāng)有小尺度調(diào)制尖峰出現(xiàn)，此時(shí)的空間頻率為引發(fā)小尺度自聚焦效應(yīng)的最小空間頻率 即截止頻率；對(duì)應(yīng)著調(diào)制場(chǎng)最大增益的空間頻率即是最快增長(zhǎng)頻率；對(duì)于確定的輸入功率 和傳輸距離，最快增長(zhǎng)頻率所對(duì)應(yīng)的調(diào)制場(chǎng)增益則相當(dāng)于BT理論中的B積分；記錄調(diào)制場(chǎng) 增益與相對(duì)應(yīng)的空間頻率，便得到在激光在非線性傳輸中的小尺度增益譜。調(diào)節(jié)可調(diào)衰減片2以改變?nèi)肷涔鈭?chǎng)的輸入功率，可以得到調(diào)制場(chǎng)增益隨輸入功率 變化曲線；改變二硫化碳介質(zhì)7的長(zhǎng)度，可以得到調(diào)制場(chǎng)增益隨在二硫化碳介質(zhì)7中傳輸距 離變化曲線。綜上所述，本發(fā)明裝置可以實(shí)現(xiàn)激光在非線性介質(zhì)中的傳輸特性的測(cè)量，尤其可 以直觀地檢測(cè)到空間頻率與小尺度自聚焦效應(yīng)的關(guān)系曲線。
權(quán)利要求
一種激光束非線性傳輸特性的測(cè)量裝置，其特征在于由激光器(1)、可調(diào)衰減片(2)、半透半反鏡(3)、全反鏡(4)及第一反射衰減器(5)、步進(jìn)電機(jī)(6)、非線性介質(zhì)盒(7)、第二反射衰減器(8)、第三反射衰減器(10)、第一CCD(9)和第CCD(12)組成，上述元部件的位置關(guān)系如下在所述的激光器(1)的激光束輸出方向依次是所述的可調(diào)衰減片(2)、半透半反鏡(3)和第一反射衰減器(5)，該半透半反鏡(3)與所述的激光束成45°，該第一反射衰減器(5)由所述的步進(jìn)電機(jī)(6)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行小角度旋轉(zhuǎn)，以調(diào)整經(jīng)所述的半透半反鏡(3)的透射光束對(duì)所述的第一反射衰減器(5)的入射角度；在所述的半透半反鏡(3)的反射方向正交地設(shè)置所述的全反鏡(4)，所述的半透半反鏡(3)到所述的全反鏡(4)的光程與半透半反鏡(3)到所述的第一反射衰減器(5)的光程相等；經(jīng)所述的激光器(1)輸出的激光束經(jīng)可調(diào)衰減片(2)進(jìn)入半透半反鏡(3)，該半透半反鏡(3)將激光束分為透射的第一光束和反射的第二光束，所述的第二光束垂直地入射到所述的全反鏡(4)反射后透過(guò)所述的半透半反鏡(3)，所述的第一光束經(jīng)第一反射衰減器(5)反射后經(jīng)所述的半透半反鏡(3)反射后與透過(guò)所述的半透半反鏡(3)的第二光束合成為合束光束；在所述合束光束的前進(jìn)方向依次是非線性介質(zhì)盒(7)和第三反射衰減器(10)，所述的非線性介質(zhì)盒(7)的入射表面為一斜面，在該斜面的反射方向是所述的第二反射衰減器(8)，在第二反射衰減器(8)的反射方向是所述的第一CCD(9)，在所述的第三反射衰減器(10)的反射方向是所述的第CCD(12)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光束非線性傳輸特性的測(cè)量裝置，其特征在于所述的非線 性介質(zhì)盒(7)內(nèi)充滿非線性介質(zhì)CS2,或其它非線性介質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光束非線性傳輸特性的測(cè)量裝置，其特征在于所述的第三 反射衰減器(10)由一個(gè)以上反射衰減器組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光束非線性傳輸特性的測(cè)量裝置，其特征在于所述的激光 器(1)是鈦寶石激光器，或其它激光器。
全文摘要
一種激光束非線性傳輸特性的測(cè)量裝置，該裝置由激光器、可調(diào)衰減片、半透半反鏡、全反鏡、第一反射衰減器、步進(jìn)電機(jī)、非線性介質(zhì)盒、第二反射衰減器、第三反射衰減器、第一CCD和第二CCD組成，本發(fā)明裝置可以實(shí)現(xiàn)激光在非線性介質(zhì)中的傳輸特性的測(cè)量，尤其可以直觀地檢測(cè)到空間頻率與小尺度自聚焦效應(yīng)的關(guān)系曲線，且操作簡(jiǎn)單。
文檔編號(hào)G01J1/42GK101806717SQ20101015283
公開(kāi)日2010年8月18日 申請(qǐng)日期2010年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月21日
發(fā)明者劉芳, 孫平平, 孫明營(yíng), 張燕, 張艷麗, 朱健強(qiáng), 李小燕, 歐陽(yáng)小平 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所