一種激光脈沖開關(guān)裝置及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高能粒子加速技術(shù)，尤其涉及一種激光脈沖開關(guān)裝置及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]啁啾激光脈沖放大系統(tǒng)(CPA)提出后，激光器的峰值功率飛躍發(fā)展，激光脈沖峰值功率可達(dá)數(shù)PW(115W)，激光脈沖的光強(qiáng)可達(dá)1022W/cm2。這類強(qiáng)場(chǎng)激光脈沖被廣泛應(yīng)用于激光與靶的相互作用中。尤其激光脈沖與靶場(chǎng)相互作用時(shí)，由于激光脈沖與靶場(chǎng)作用后，激光將破壞掉靶，因此在下一發(fā)激光脈沖與靶場(chǎng)作用時(shí)，需要重新更換靶，這使得激光脈沖與靶場(chǎng)作用時(shí)，往往希望激光脈沖能夠被人為控制地實(shí)現(xiàn)單發(fā)激射。然而實(shí)際激光器是有一定重復(fù)頻率的，目前在百太瓦(TW)和拍瓦(PW)激光器的重復(fù)頻率多在0.1到10Hz，這樣的重復(fù)頻率激光器無(wú)法直接與靶場(chǎng)作用。激光與靶場(chǎng)作用需要激光單發(fā)激射，為了實(shí)現(xiàn)百Tff或PW激光系統(tǒng)的單發(fā)激射，需要在激光系統(tǒng)中加入開關(guān)，當(dāng)開關(guān)人為打開時(shí)，此時(shí)激光輸出一個(gè)脈沖與靶相互作用，由此激光器實(shí)現(xiàn)單發(fā)激射。
[0003]常見的CPA技術(shù)如圖1所示，一個(gè)振蕩器產(chǎn)生超短脈沖(脈沖寬度通常為皮秒或飛秒量級(jí))作為種子源，經(jīng)過展寬器對(duì)脈沖進(jìn)行時(shí)間展寬后獲得長(zhǎng)脈沖(脈寬長(zhǎng)度幾十皮秒到納秒量級(jí)，具體展寬后的脈寬長(zhǎng)度取決于最終需要放大的能量)，利用放大器系統(tǒng)對(duì)已經(jīng)展寬的長(zhǎng)脈沖進(jìn)行能量放大獲得高能量脈沖，高能量脈沖最后通過壓縮器將脈沖的時(shí)間尺度壓縮到最小(回到種子源的脈寬量級(jí))從而獲得高峰值功率的強(qiáng)場(chǎng)激光脈沖。對(duì)于脈寬為25fs的百TW量級(jí)的激光，需要將種子源放大到幾個(gè)焦耳，然而常用的種子源的能量通常為nj量級(jí)，I個(gè)放大器無(wú)法實(shí)現(xiàn)激光脈沖能量的放大，通常是利用多個(gè)放大器將激光脈沖逐步放大(可加文獻(xiàn))，對(duì)于PW激光亦是如此，需要多個(gè)放大器實(shí)現(xiàn)激光脈沖能量放大。
[0004]對(duì)于激光器的放大器系統(tǒng)而言，通常為了讓激光器穩(wěn)定，放大器系統(tǒng)設(shè)置如圖2，種子源首先通過一個(gè)KHz激光器放大到mj量級(jí)，然后利用普克爾盒將KHz激光脈沖頻率降低為Hz量級(jí)，再利用多個(gè)多通放大器進(jìn)一步對(duì)激光脈沖能量放大?？紤]到激光脈沖的損傷能量，激光脈沖能量越高，光斑尺寸越大，所以，如果在KHz激光器放大后加入開關(guān)可實(shí)現(xiàn)單發(fā)，并且開關(guān)的口徑也較小，但是后面的多通放大沒有種子光將栗浦能量萃取，激光器的熱效應(yīng)等將和激光器在按一定重復(fù)頻率是不同的，此時(shí)單發(fā)運(yùn)轉(zhuǎn)激光將損害激光的穩(wěn)定性。如果在放大器系統(tǒng)之后加入開關(guān)，可以避免損害激光穩(wěn)定性，但是此時(shí)光斑尺寸太大，對(duì)于百TW激光器，尺寸都在數(shù)十mm，這樣的開關(guān)價(jià)格昂貴，自己制作困難，并且大口徑開關(guān)由于用在能量較高的位置，所以在關(guān)閉瞬間帶來(lái)的回光對(duì)百TW激光器存在巨大危害。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出了一種激光脈沖開關(guān)裝置及其控制方法，實(shí)現(xiàn)了激光脈沖的單發(fā)激射。
[0006]本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種激光脈沖開關(guān)裝置。
[0007]本發(fā)明的激光脈沖開關(guān)裝置，設(shè)置在啁啾激光脈沖放大系統(tǒng)中，啁啾激光脈沖放大系統(tǒng)包括:振蕩器、展寬器、放大器系統(tǒng)和壓縮器；其中，振蕩器產(chǎn)生超短激光脈沖作為種子源，經(jīng)過展寬器對(duì)超短激光脈沖進(jìn)行時(shí)間展寬后獲得長(zhǎng)激光脈沖，放大器系統(tǒng)對(duì)已經(jīng)展寬的長(zhǎng)激光脈沖進(jìn)行能量放大獲得高能量激光脈沖，高能量激光脈沖最后通過壓縮器將激光脈沖的時(shí)間尺度壓縮到種子源的脈寬量級(jí)；放大器系統(tǒng)包括KHz放大器、普克爾盒和多通放大器組，兩個(gè)栗浦源分別為KHz放大器和多通放大器組提供栗浦光，來(lái)自展寬器的長(zhǎng)激光脈沖作為主光，經(jīng)過KHz放大器放大后，由普克爾盒降低頻率，進(jìn)入多通放大器組，對(duì)主光能量進(jìn)行放大；激光脈沖開關(guān)裝置包括:激光同步信號(hào)發(fā)生器、延遲器、第一開關(guān)和第二開關(guān)；其中，第一開關(guān)設(shè)置在普克爾盒之后，多通放大器組之前，或者放置在多通放大器組中；第二開關(guān)放置在多通放大器組之后，靶場(chǎng)之前；第一開關(guān)為小口徑的高速開關(guān)，第二開關(guān)為大口徑的慢速開關(guān)；當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)打開，第二開關(guān)關(guān)閉，后續(xù)的靶場(chǎng)沒有激光脈沖；關(guān)閉第一開關(guān)，打開第二開關(guān)，激光同步信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生激光同步信號(hào)輸入至延遲器，延遲器產(chǎn)生一個(gè)延遲的晶體管-晶體管邏輯TTL數(shù)字信號(hào)，作為觸發(fā)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)第一開關(guān)打開，并且在一個(gè)激光脈沖信號(hào)輸出至后續(xù)的靶場(chǎng)后，第一開關(guān)關(guān)閉，觸發(fā)信號(hào)是單脈沖，第一開關(guān)只打開一次，實(shí)現(xiàn)激光脈沖單發(fā)激射。
[0008]第一開關(guān)要將重復(fù)頻率小于1Hz的激光脈沖選擇I個(gè)出來(lái)，因此，第一開光從開到關(guān)的時(shí)間要小于100ms，第一開關(guān)可選用快速機(jī)械快門。而第二開關(guān)的開關(guān)時(shí)間沒有要求，但是為了減小等待時(shí)間，以及減小沒有紅光萃取栗浦光能量導(dǎo)致的多通放大器組的熱效應(yīng)問題，第二開關(guān)從關(guān)到開的時(shí)間小于1s最優(yōu)，第二開關(guān)由于時(shí)間上的要求放寬，可以選擇一個(gè)擋光板，放在一個(gè)電動(dòng)平移臺(tái)上快速推進(jìn)光路實(shí)現(xiàn)關(guān)閉狀態(tài)，快速移出光路實(shí)現(xiàn)打開狀態(tài)。
[0009]對(duì)于百TW激光，第一開關(guān)的口徑在1mm?40mm之間；第二開關(guān)的口徑大于80mm。
[0010]第一開關(guān)可以設(shè)置在普克爾盒與多通放大器組之間，或者根據(jù)第一開關(guān)口徑的大小來(lái)具體選擇，第一開關(guān)放置在多通放大器組中光束的直徑小于第一開關(guān)的直徑的位置。
[0011]第二開關(guān)的位置放置在多通放大器組之后，壓縮器之前；或者放置在壓縮器之后，靶場(chǎng)之前，便于打靶時(shí)就近操作。
[0012]本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種激光脈沖開關(guān)裝置的控制方法。
[0013]本發(fā)明的激光脈沖開關(guān)裝置的控制方法，包括以下兩種情況:
[0014]第一種情況當(dāng)啁啾激光脈沖放大系統(tǒng)后的靶場(chǎng)不需要激光脈沖時(shí):
[0015]第一開關(guān)處于打開狀態(tài)，第二開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，激光脈沖進(jìn)入多通放大器組被放大，栗浦光的能量被放大的激光脈沖帶走，激光系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，由于第二開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)激光脈沖被第二開關(guān)攔截，無(wú)法進(jìn)入壓縮器，所以后續(xù)的靶場(chǎng)沒有激光脈沖；
[0016]第二種情況當(dāng)啁啾激光脈沖放大系統(tǒng)后的靶場(chǎng)需要一個(gè)激光脈沖時(shí):
[0017]I)關(guān)閉第一開關(guān)，此時(shí)多通放大器組后沒有放大的激光脈沖輸出；
[0018]2)打開第二開關(guān)，由于多通放大器組后沒有光輸出，第二開關(guān)的操作對(duì)系統(tǒng)是安全的，并且，當(dāng)?shù)诙_關(guān)處于打開狀態(tài)時(shí)，如果多通放大器組中有激光脈沖進(jìn)行放大，此時(shí)可通過壓縮器進(jìn)入后續(xù)的靶場(chǎng)；
[0019]3)激光同步信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生激光同步信號(hào)輸入至延遲器，延遲器產(chǎn)生一個(gè)延遲的TTL數(shù)字信號(hào)，此TTL數(shù)字信號(hào)僅有一個(gè)脈沖，作為觸發(fā)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)第一開關(guān)打開；
[0020]4)僅有一個(gè)激光脈沖通過第一開關(guān)，經(jīng)過多通放大器組后，通過第二開關(guān)，輸出至后續(xù)的靶場(chǎng)，第一開關(guān)關(guān)閉，觸發(fā)信號(hào)是單脈沖，因此第一開關(guān)只打開一次，激光脈沖單發(fā)激射；
[0021]5)關(guān)閉第二開關(guān)，攔截激光脈沖；
[0022]6)將第一開關(guān)放置在打開狀態(tài)，這樣保證多通放大器組中的高能量激光脈沖的能量
[0023]不會(huì)累積造成熱效應(yīng)等問題，激光系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0024]激光系統(tǒng)自身作為激光同步信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生激光同步信號(hào)，或者采用光電二極管或相機(jī)等方式采集周期同步的激光脈沖，從而獲得激光的周期信號(hào)，產(chǎn)生激光同步信號(hào)。延遲器可以采用信號(hào)延遲發(fā)生器，或者通過簡(jiǎn)單的延遲芯片、單片機(jī)等實(shí)現(xiàn)與激光脈沖延遲的單脈沖數(shù)字信號(hào)。
[0025]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):
[0026]本發(fā)明通過在普克爾盒后和多通放大器組后分別放置第一和第二開關(guān)，形成2級(jí)開關(guān)的單發(fā)系統(tǒng)，并通過激光同步信號(hào)輸入至延遲器產(chǎn)生單脈沖的觸發(fā)信號(hào)，控制第一開關(guān)只打開一次，實(shí)現(xiàn)激光脈沖單發(fā)激射；本發(fā)明未在栗浦光路上做任何改動(dòng)，因此不會(huì)改變栗浦激光脈沖的熱效應(yīng)、光束質(zhì)量等，從而保證整個(gè)激光器的質(zhì)量不會(huì)改變；在后續(xù)的靶場(chǎng)不需要激光脈沖時(shí)，能保證多通放大組中的高能量激光脈沖的能量不會(huì)累積造成熱效應(yīng)等問題。
[0027]利用開關(guān)實(shí)現(xiàn)激光脈沖單發(fā)激射，此時(shí)開關(guān)具有2個(gè)作用:一個(gè)是快速選擇I個(gè)脈沖通過開關(guān)，這需要開關(guān)能夠快速打開關(guān)閉，另一個(gè)是開關(guān)起到阻擋光的作用，對(duì)于大能量激光器，由于光束直徑大，所以需要大口徑的開關(guān)。采用小口徑快速的第一開關(guān)和大口徑慢速的第二開關(guān)結(jié)合使用的方式，將單發(fā)運(yùn)轉(zhuǎn)中開關(guān)的作用分別賦予2個(gè)開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中第一開關(guān)實(shí)現(xiàn)快速選擇I個(gè)激光脈沖通過，第二開關(guān)起到阻擋光的作用。這將開關(guān)的口徑和開關(guān)的速度分別由2個(gè)開關(guān)實(shí)現(xiàn)，可以減小對(duì)快速第一開關(guān)口徑以及大口徑第二開關(guān)速度的要求，無(wú)需使用大口徑快速開關(guān)，從而節(jié)約成本，降低大口徑開關(guān)回光對(duì)激光器損害的風(fēng)險(xiǎn)；由于第二開關(guān)放置在壓縮起之前，當(dāng)后續(xù)靶場(chǎng)不需要激光脈沖時(shí)，高能量的光束并未輻照在壓縮器內(nèi)昂貴的光學(xué)元件光柵上，因此對(duì)光柵具有保護(hù)作用。
【附圖說明】
[0028]圖1為啁啾激光脈沖放大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0029]圖2為啁啾激光脈沖放大系統(tǒng)中的放大器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0030]圖3為本發(fā)明的激光脈沖開關(guān)裝置的一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框圖；
[0031]圖4為本發(fā)明的激光脈沖開關(guān)裝置實(shí)現(xiàn)激光脈沖單發(fā)激射的示意圖；
[0032]圖5為本發(fā)明的第一開關(guān)實(shí)現(xiàn)只打開一次的不意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖，通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0034]如圖1所示，啁啾激光脈沖放大系統(tǒng)包括:振蕩器、展寬器、放大器系統(tǒng)和壓縮器。
[0035]如圖2所示，放大器系統(tǒng)包括KHz放大器、普克爾盒和多通放大器組，兩個(gè)栗浦源分別為KHz放大器和多通放大器組提供栗浦光。
[0036]展寬后的長(zhǎng)激光脈沖首先經(jīng)由KHz的放大器進(jìn)行放大，KHz放大器由一個(gè)KHz的栗浦源提供能量。因?yàn)镵Hz放大器的栗浦源為L(zhǎng)D栗浦的全固態(tài)激光器，其穩(wěn)定性高，因此KHz放大器具有更高的穩(wěn)定性，由KHz放大器作為前端放大可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。KHz放大器放大后的激光脈沖將送入到后續(xù)的多通放大器進(jìn)一步被放大，根據(jù)被放大能量的要求，可能有多個(gè)多通放大器，形成多通放大器組，多通