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CN109029929A - 拍瓦级高功率激光系统靶面焦点精确定位的方法 - Google Patents

拍瓦级高功率激光系统靶面焦点精确定位的方法 Download PDF

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Abstract

一种拍瓦级高功率激光系统靶面焦点精确定位的方法，该方法包括搭建光学系统和CCD数据采集处理系统，所述的光学系统由平面全反镜、分光镜和聚焦透镜组成，所述的数据处理系统包括CCD探测器和计算机。本发明解决了拍瓦级激光系统在物理实验过程中靶面焦点的精确定位问题，不仅能精确定位，而且操作相对简单。

Description

拍瓦级高功率激光系统靶面焦点精确定位的方法
技术领域
本发明涉及高功率超短脉冲激光系统，特别是一种拍瓦级高功率激光系统靶面焦点精确定位的方法。
背景技术
拍瓦级高功率激光系统聚焦的目的是实现尽可能高的可聚焦峰值功率密度，因此除了具有飞秒级的输出脉宽之外，物理实验过程中焦点的保持十分重要。另一方面，当激光器功率密度大于1012W/cm2时，空气中的气体分子将会被电离成等离子体，造成激光能量不能顺利到达物理实验靶。因此强激光物理实验通常都在真空靶室中进行，激光系统的聚焦和调靶也必须在真空状态下完成。
由于拍瓦激光输出的是宽频光，系统的聚焦一般采用离轴抛物面反射镜来实现，这样不但可以消除色散对焦点的影响，也可以避免由于透射元件引起的脉冲变宽。现有的聚焦调整，通常在非真空状态下，利用小信号激光测出焦点位置，真空状态下，依靠外部的监视系统和离轴抛物面反射镜调整架上的伺服电机或者实验靶架上的伺服电机进行靶上焦点的精确复位。通用的外部监视系统如图2所示，从靶面的两个正交方向利用真空靶室外的光学系统(图2中的(8)和(9)，另外(5)为离轴抛物面反射镜，(6)为平面靶)，分别监视激光聚焦在靶上的位置和焦距，然后进行真空状态下的焦点复位。这种方法存在以下几点不足：
(1)由于必须在真空靶室外面监控，光学系统距离靶面太远，而且由于其孔径具有一定的大小，因此光学系统的分辨率通常不能满足要求，而拍瓦级激光系统往往几微米的焦距误差就能造成焦斑相差一倍的大小。
(2)由于光学系统的观测通常在可见光波段，和物理实验的激光波长不同，由于光学系统的色差原因，造成检测到的焦距和实际的激光焦距有所偏差。
(3)由于靶点监视需要两套正交的光学系统，在空间占用和实验操作方面相对复杂。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的缺点，提供一种拍瓦级高功率激光系统靶面焦点精确定位的方法，该方法解决了拍瓦级激光系统在物理实验过程中靶面焦点的精确定位问题，不仅能精确定位，而且操作相对简单。
本发明的技术解决方案如下：
一种拍瓦级高功率激光系统靶面焦点精确定位的方法，该方法包括如下步骤：
①搭建光学系统和CCD数据采集处理系统：
所述的光学系统由平面全反镜、分光镜和聚焦透镜组成，所述的分光镜放置在所述的拍瓦级高功率激光系统靶室的入射光路中，该分光镜的反射率R为0.1，并且具有移进移出功能，移进移出由平移导轨和步进马达实现，所述的平面全反镜和聚焦透镜处于激光光路之外，所述的平面全反镜反射入射的激光实现光束折返，所述的聚焦透镜完成取样光束的聚焦；
所述的数据处理系统包括CCD探测器和计算机，所述的CCD探测器位于所述的聚焦透镜的焦平面，所述的CCD探测器的输出端与所述的计算机的输入端相连，所述的数据处理系统实现数据的采集和处理功能；
②将所述的分光镜通过导轨移入所述的入射光路之中，分光镜与入射激光的传输方向成45°，该分光镜将入射光分成反射光和透射光，所述的反射光经所述的聚焦透镜聚焦在所述的CCD探测器；所述的透射光进入真空靶室，经过离轴抛物面反射镜聚焦到物理实验所用的平面靶，所述的平面靶和所述的离轴抛物面反射镜的空间平移和转动调节由调整架上的伺服电机完成，伺服电机的控制系统放置在真空靶室之外，系统调试时，调节所述的平面靶的位置，使经所述的平面靶的反射光接近原路返回，经过所述的离轴抛物面反射镜、分光镜后，被反射到所述的平面全反镜，经该平面全反镜反射的光再次透过所述的分光镜经所述的聚焦透镜聚焦在所述的CCD探测器上，所述的平面全反镜相对于正入射有一个0.5度左右的倾角，使透射光经该平面全反镜反射和所述的分光镜透射和所述的聚焦透镜聚焦后，在CCD探测器上的焦点与反射光的焦点处于不同位置；
③调试过程中，所述的平面靶的位置监视，由平面靶的控制系统提供精确的位置数据；针对所述的平面靶的不同位置，所述的CCD探测器采集到入射光的直接反射光和靶场返回光的两组焦斑的光强数据，分别用X和Y表示，假定两焦斑对应位置的数据采集点具有共同的下标i，用Xi和Yi分别表示采集到的特定的对应位置的两焦斑的光强数据；
④数据处理：采集到的反射光焦斑和透射光焦斑数据传输到计算机之后，由计算机进行处理并计算反射光光斑与透射光光斑的位置的均方差：首先，由于入射光的直接反射光和靶场返回光经过的光学元件不同，因此靶场返回光的焦斑数据需要乘以归一化因子[1/(1-R)2]，所以两焦斑的绝对偏差必须以下式计算：
其中，σ定位为焦斑偏差，X为所述的入射光直接反射的焦斑的取样数据，Y为所述半场返回光的焦斑的取样数据，下标j对应的是所述的平面靶的位置编号，不同的j对应靶面的不同位置；
⑤针对平面靶不同的位置j，重复步骤③、④，并找到σj的最小值，利用平面靶的伺服机构将平面靶移到σj的最小值对应的位置，此时的靶面位置严格处于离轴抛物面反射镜的焦点之上，将所述的分光镜移出所述的拍瓦级高功率激光系统靶室的入射光路，完成靶面焦点精确定位。
分光镜反射率设计为R＝0.1，由于激光聚焦的离轴抛物面反射镜反射率为1.0，假定靶面的反射率也为1.0，这样进入靶室之前和之后的激光取样后的强度分别为：
I1＝RI0＝0.1I0
I2＝(1-R)R(1-R)I0＝0.08I0
保证了入射前后光强差别不大。
本发明的技术效果如下：
实验表明，本发明解决了拍瓦级激光系统在物理实验过程中靶面焦点的精确定位问题，不仅能精确定位，而且操作相对简单。
附图说明
图1为本发明拍瓦级激光系统靶面焦点精确定位方法的示意图
图2是现有高功率激光系统常用的真空外靶面检测系统示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
参照图1，图1是本发明拍瓦级激光系统靶面焦点精确定位方法的示意图，
本发明拍瓦级高功率激光系统靶面焦点精确定位的方法，该方法包括如下步骤：
①搭建光学系统和CCD数据采集处理系统：
所述的光学系统由平面全反镜1、分光镜2和聚焦透镜3组成，所述的分光镜2放置在所述的拍瓦级高功率激光系统靶室的入射光路中，该分光镜2的反射率R为0.1，并且具有移进移出功能，移进移出由平移导轨和步进马达实现，图1中用虚线标识的反射镜2的位置，为正式实验时移出光路时的情景，所述的平面全反镜1和聚焦透镜3处于激光光路之外，所述的平面全反镜1反射入射的激光实现光束折返，所述的聚焦透镜3完成取样光束的聚焦；
所述的数据处理系统包括CCD探测器4和计算机10，所述的CCD探测器4位于所述的聚焦透镜3的焦平面，所述的CCD探测器4的输出端与所述的计算机10的输入端相连，所述的数据处理系统实现数据的采集和处理功能；
②将所述的分光镜2通过导轨移入所述的入射光路之中，分光镜2与入射激光的传输方向成45°，该分光镜2将入射光分成反射光和透射光，所述的反射光经所述的聚焦透镜3聚焦在所述的CCD探测器4；所述的透射光进入真空靶室7，经过离轴抛物面反射镜5聚焦到物理实验所用的平面靶6，所述的平面靶6和所述的离轴抛物面反射镜5的空间平移和转动调节由调整架上的伺服电机完成，伺服电机的控制系统放置在真空靶室之外，系统调试时，调节所述的平面靶6的位置，使经所述的平面靶6的反射光接近原路返回，经过所述的离轴抛物面反射镜5、分光镜2后，被反射到所述的平面全反镜1，经该平面全反镜1反射的光再次透过所述的分光镜2经所述的聚焦透镜3聚焦在所述的CCD探测器4上，所述的平面全反镜1相对于正入射有一个0.5度左右的倾角，使透射光经该平面全反镜1反射和所述的分光镜1透射和所述的聚焦透镜3聚焦后，在CCD探测器4上的焦点与反射光的焦点处于不同位置；
③调试过程中，所述的平面靶6的位置监视，由平面靶6的控制系统提供提供精确的位置数据；针对所述的平面靶6的不同位置，所述的CCD探测器4采集到入射光的直接反射光和靶场返回光的两组焦斑的光强数据，分别用X和Y表示，假定两焦斑对应位置的数据采集点具有共同的下标i，用Xi和Yi分别表示采集到的特定的对应位置的两焦斑的光强数据；
④数据处理：采集到的反射光焦斑和透射光焦斑数据传输到计算机之后，由计算机进行处理并计算反射光光斑与透射光光斑的位置的均方差：首先，由于入射光的直接反射光和靶场返回光经过的光学元件不同，因此靶场返回光的焦斑数据需要乘以归一化因子[1/(1-R)2]，所以两焦斑的绝对偏差必须以下式计算：
其中，σ定位为焦斑偏差，X为所述的入射光直接反射的焦斑的取样数据，Y为所述半场返回光的焦斑的取样数据，下标j对应的是所述的平面靶位置编号，对应靶面的不同位置；
⑤针对平面靶不同的位置j，重复步骤③、④，并找到σj的最小值，利用平面靶的伺服机构将所述的平面靶6移到σj的最小值对应的位置，此时的靶面位置严格处于离轴抛物面反射镜5的焦点之上，将所述的分光镜2移出所述的拍瓦级高功率激光系统靶室的入射光路，完成靶面焦点精确定位。
实验表明，本发明解决了拍瓦级激光系统在物理实验过程中靶面焦点的精确定位问题，不仅能精确定位，而且操作相对简单。

Claims (1)

1.一种拍瓦级高功率激光系统靶面焦点精确定位的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
①搭建光学系统和CCD数据采集处理系统：
所述的光学系统由平面全反镜(1)、分光镜(2)和聚焦透镜(3)组成，所述的分光镜(2)放置在所述的拍瓦级高功率激光系统靶室的入射光路中，该分光镜(2)的反射率R为0.1，并且具有移进移出功能，移进移出由平移导轨和步进马达实现，所述的平面全反镜(1)和聚焦透镜(3)处于激光光路之外，所述的平面全反镜(1)反射入射的激光实现光束折返，所述的聚焦透镜(3)完成取样光束的聚焦；
所述的数据处理系统包括CCD探测器(4)和计算机(10)，所述的CCD探测器(4)位于所述的聚焦透镜(3)的焦平面，所述的CCD探测器(4)的输出端与所述的计算机(10)的输入端相连，所述的数据处理系统实现数据的采集和处理功能；
②将所述的分光镜(2)通过导轨移入所述的入射光路之中，分光镜(2)与入射激光的传输方向成45°，该分光镜(2)将入射光分成反射光和透射光，所述的反射光经所述的聚焦透镜(3)聚焦在所述的CCD探测器(4)；所述的透射光进入真空靶室(7)，经过离轴抛物面反射镜(5)聚焦到物理实验所用的平面靶(6)，所述的平面靶(6)和所述的离轴抛物面反射镜(5)的空间平移和转动调节由调整架上的伺服电机完成，伺服电机的控制系统放置在真空靶室之外，系统调试时，调节所述的平面靶(6)的位置，使经所述的平面靶(6)的反射光接近原路返回，经过所述的离轴抛物面反射镜(5)、分光镜(2)后，被反射到所述的平面全反镜(1)，经该平面全反镜(1)反射的光再次透过所述的分光镜(2)经所述的聚焦透镜(3)聚焦在所述的CCD探测器(4)上，所述的平面全反镜(1)相对于正入射有一个0.5度左右的倾角，使透射光经该平面全反镜(1)反射和所述的分光镜(2)透射和所述的聚焦透镜(3)聚焦后，在CCD探测器(4)上的焦点与反射光的焦点处于不同位置；
③调试过程中，所述的平面靶(6)的位置监视，由平面靶(6)的控制系统提供，并可以提供精确的位置数据；针对所述的平面靶(6)的不同位置，所述的CCD探测器(4)采集到入射光的直接反射光和靶场返回光的两组焦斑的光强数据，分别用X和Y表示，假定两焦斑对应位置的数据采集点具有共同的下标i，用Xi和Yi分别表示采集到的特定的对应位置的两焦斑的光强数据；
④数据处理：采集到的反射光焦斑和透射光焦斑数据传输到计算机之后，由计算机进行处理并计算反射光光斑与透射光光斑的位置的均方差：首先，由于入射光的直接反射光和靶场返回光经过的光学元件不同，因此靶场返回光的焦斑数据需要乘以归一化因子[1/(1-R)2]，所以两焦斑的绝对偏差必须以下式计算：
其中，σ定位为焦斑偏差，X为所述的入射光直接反射的焦斑的取样数据，Y为所述半场返回光的焦斑的取样数据，下标j对应的是所述的平面靶的位置编号，不同的j对应靶面的不同位置；
⑤针对平面靶不同的位置j，重复步骤③、④，并找到σj的最小值，利用平面靶的伺服机构将平面靶(6)移到σj的最小值对应的位置，此时的平面靶(6)严格处于离轴抛物面反射镜(5)的焦点之上，将所述的分光镜移出所述的拍瓦级高功率激光系统靶室的入射光路，完成靶面焦点精确定位。
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