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CN113205739A - 激光与微通道靶准直调节系统及准直调节方法 - Google Patents

激光与微通道靶准直调节系统及准直调节方法 Download PDF

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Abstract

一种激光与微通道靶准直调节系统及准直调节方法，调节装置，包括该系统包括打靶激光光路的一部分，其特点在于还包括模拟光路、微通道姿态调节装置和观测平面。本发明能使激光与微通道靶实现较好准直效果以满足打靶实验需求，而且具有操作简便、准直效果好、成本低等特点。

Description

激光与微通道靶准直调节系统及准直调节方法
技术领域
本发明涉及激光与等离子体相互作用，特别是一种激光与微通道靶准直调节系统及准直调节方法。
背景技术
近年来，激光与等离子体相互作用成为激光物理领域关注的重点，目前研究较多的是激光与固体平面靶及各种气体靶相互作用，希望从中获得高品质(高能量、高流强、低能散、高准直)的电子源、离子源和X/gamma射线源，此类粒子源在生物医疗、化学材料、高能物理与核物理等领域有着重要应用。在强激光与固体平面靶作用过程中，等离子体内可以建立高达1TV/m的电荷分离场，该电场能在皮秒时间尺度内将质子加速到近百MeV；在强激光与气体靶作用研究中，已经获得近8GeV的高能电子束。相比于传统加速器，基于激光等离子体的加速器具有加速梯度高、无破坏阈值、占地面积小，成本低等优势，因此成为未来加速器发展的研究热点。当下，为了继续提高各类粒子源(电子源、离子源和X/gamma射线源)品质，在不断提升激光强度与激光对比度的同时，还要对靶条件进行优化。理论模拟发现，微通道靶在优化粒子源品质上有着特别的优势(详见L.L.Ji,Towards manipulatingrelativistic laser pulses with micro-tube plasma lenses.Scientific Reports,2016.6:23256)。激光聚焦进入直径10s微米通道内部后其强度有大约1～1.5倍的提升；并且瑞利长度会有有效增大；由于通道本身的导引作用，可以产生高准直的质子束和电子束。此外，与传统平面靶和气体靶相比，微通道靶产生的电子电荷量会有明显提升，这在进一步的离子加速和X/gamma射线源研究中有着极大优势。
在实际物理实验过程中，为防止打靶激光强度过高造成靶的损坏，可以使用强度较弱的模拟光路代替强度很强的打靶激光进行对靶，对好靶后再用强激光进行打靶操作。模拟光路主要特点是与打靶激光同轴，两者传播路径一致。
综上所述，微通道靶在进一步提升各类粒子源品质方面有着独特的优势。目前，实验室中已经陆续开展激光与微通道靶相互作用的研究，但是，为了防止靶面反射的激光破坏前面离轴抛物面镜的膜系，一般选择激光斜入射至靶面，若同时要求激光沿通道轴线进入，则要求通道轴线与靶面法线有一定夹角(斜切角)，该角度与激光相对于靶面的入射角一致，也就是说，常用的微通道靶带有一定的斜切角。微通道靶中的通道口径一般在几微米到几十微米之间，这与聚焦后激光光斑大小相当，甚至小于激光焦斑半高全宽，因此，如何确保激光斜入射到靶面并且尽量平行穿过通道而不会打在通道璧上是实验研究中需要首先克服的问题。另外，在调整靶姿态时，激光能量太高容易使靶电离破坏其初始密度分布，激光能量太低则不容易观测，因此，如何使调整过程更加简便、高效和准确也是需要解决的问题。
发明内容
本发明的主要目的是为了克服现有技术的不足，提供一种激光与微通道靶准直调节系统及准直调节方法。该系统能使激光与微通道靶实现较好的准直效果以满足打靶实验需求，而且具有操作简便、准直效果好、成本低等特点。
本发明的技术解决方案如下：
一种激光与微通道靶准直调节系统，该系统包括打靶激光光路的一部分，其特点在于还包括模拟光路、微通道姿态调节装置和观测平面，所述的打靶激光光路的一部分包括沿打靶激光光束方向依次是第三反射镜、离轴抛物面镜和微通道靶，所述的模拟光路包括激光器、第一反射镜、电动平移台、第二反射镜、第三反射镜、离轴抛物面镜、微通道靶和微通道姿态调节器，所述的第二反射镜放置在所述的电动平移台上，所述的微通道靶姿态调节器装有可绕靶材中心法线360度旋转的拨轮，所述的微通道靶置于所述的微通道姿态调节器的拨轮上，所述的激光器输出的模拟激光束依次经过所述的第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、离轴抛物面镜、微通道靶，所述的模拟激光束穿过所述的微通道靶后成为光强重新分布的光束，该强重新分布的光束入射到所述的观测平面，该强重新分布的光束的光轴垂直于所述的观测平面的前表面，所述的第一反射镜、电动平移台、第二反射镜、第三反射镜、离轴抛物面镜、微通道靶、微通道靶姿态调节器和观测平面均位于真空室内。
所述的激光器输出的模拟激光束为连续光，聚焦后光强低于107W/cm2。
所述的模拟激光束的直径小于打靶激光束的直径，两光束经所述的反射镜和离轴抛物面镜，且同轴传输并聚焦于同一点。
所述的第二反射镜跟随所述的电动平移台上下移动，向下移动时可以完全退出打靶激光束的光路且对打靶激光束无遮挡。
所述的微通道靶的通道直径大于等于3微米，并且该通道轴向与靶面法线方向夹角(斜切角)大于0度。
利用所述的激光与微通道靶准直调节系统调节激光与微通道靶准直的方法，包括如下步骤：
1)驱动所述的电动平移台向上移动所述的第二反射镜，使第二反射镜的前表面的中心位于所述的打靶激光束光轴处，然后断电锁死所述的电动平移台，保证器件的位置不变；
2)调整所述的第一反射镜与所述的第二反射镜，使所述的模拟激光束与打靶激光束的传输方向平行，并且两者最终聚焦于同一位置；
3)在只有模拟激光束的情况下，将所述的微通道姿态调节器置于焦点附近，调整所述的微通道靶姿态调节器使所述的模拟激光束的入射角与斜切角大小一致，并且使激光焦斑恰好位于所述的微通道靶的前表面，所述的模拟激光束穿过所述的微通道靶后形成光强重新分布的光束，该光强重新分布的光束入射到所述的观测平面，该光强重新分布的光束的光轴垂直于所述的观测平面的前表面；
4)转动所述的微通道靶姿态调节器的拨轮的同时，观察所述的观测平面的光强分布情况，观测到中间为高斯分布的圆形光斑，以该光斑圆心为中心的正六边形的顶点上各出现一个衍射光斑，该六个光斑呈现不规则形状，当该六个光斑强度一致性最佳时，则该位置就是打靶激光束的准直位置；
5)驱动所述的电动平移台向下移动所述的第二反射镜，使所述的第二反射镜离开所述的打靶激光束，激光与微通道靶准直调整结束。
所述的观测平面的光强分布情况，可用肉眼或用CCD观察。
本发明的技术效果如下：
本发明能使激光与微通道靶实现较好准直效果以满足打靶实验需求，而且具有操作简便、准直效果好、成本低等特点。
附图说明
图1为本发明激光与微通道靶准直调节系统的结构示意图，其中，a为模拟激光，b为打靶激光，c为模拟激光穿过微通道后光强重新分布的光束。
图2为本发明微通道靶姿态调节器的示意图，其中a为可以绕中心360旋转的拨轮。
图3为本发明中观测平面上特征光强分布示意图。
具体实施方式
为让本发明的上述优点能明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。需要说明的是，本发明不应局限于下述的具体实施的内容，本领域的技术人员应该从下述实施方式所体现的精神来理解本发明，各技术术语可以基于本发明的精神实质来做最宽泛的理解。
参见图1，图1为本发明激光与微通道靶准直调节系统的结构示意图。由图可见，本发明激光与微通道靶准直调节系统，该系统包括打靶激光光路的一部分，还包括模拟光路、微通道姿态调节装置和观测平面，所述的打靶激光光路的一部分包括，沿打靶激光光束b方向依次是第三反射镜5、离轴抛物面镜6和微通道靶7，所述的模拟光路包括激光器1、第一反射镜2、电动平移台3、第二反射镜4、第三反射镜5、离轴抛物面镜6、微通道靶7和微通道姿态调节器8，所述的第二反射镜4放置在所述的电动平移台3上，所述的微通道靶姿态调节器8装有可绕靶材中心法线360度旋转的拨轮，所述的微通道靶7置于所述的微通道姿态调节器8的拨轮上，所述的激光器1输出的模拟激光束a依次经过所述的第一反射镜2、第二反射镜4、第三反射镜5、离轴抛物面镜6和微通道靶7，所述的模拟激光束a穿过所述的微通道靶7后形成光强重新分布的光束c，该光强重新分布的光束c入射到所述的观测平面9，该光强重新分布的光束c的光轴垂直于所述的观测平面9的前表面，所述的第一反射镜2、电动平移台3、第二反射镜4、第三反射镜5、离轴抛物面镜6、微通道靶7、微通道靶姿态调节器8和观测平面9均位于真空室10内。
所述的激光器1输出的模拟激光束a为连续光，聚焦后光强低于107W/cm2。
所述的模拟激光束a的直径小于打靶激光束b的直径，两光束经所述的反射镜5和离轴抛物面镜6，且同轴传输并聚焦于同一点。
所述的第二反射镜4跟随所述的电动平移台3上下移动，向下移动时可以完全退出打靶激光束b的光路且对打靶激光束b无遮挡。
所述的微通道靶7的通道直径大于等于3微米，并且该通道轴向与靶面法线方向夹角大于0度。
利用上述激光与微通道靶准直调节系统调节激光与微通道靶准直的方法，该方法包括如下步骤：
1)驱动所述的电动平移台3向上移动所述的第二反射镜4，使第二反射镜4的前表面的中心位于所述的打靶激光束b光轴处，然后断电锁死所述的电动平移台3，保证器件的位置不变；
2)调整所述的第一反射镜2与所述的第二反射镜4，使所述的模拟激光束a与打靶激光束b传输方向平行，并且两者最终聚焦于同一位置；
3)在只有模拟激光束a的情况下，模拟激光束a聚焦在所述的微通道靶7前表面，旋转所述的微通道靶姿态调节器8上面的圆形拨轮(参见图2)使所述的模拟激光束a的入射角与斜切角大小一致，并且使激光焦斑恰好位于所述的微通道靶7的前表面，所述的模拟激光束a穿过所述的微通道靶7后形成光强重新分布的光束c，该光强重新分布的光束c入射到所述的观测平面9，该光强重新分布的光束c的光轴垂直于所述的观测平面9的前表面；
4)转动所述的微通道靶姿态调节器8的拨轮的同时，观察所述的观测平面9的光强分布情况，参见图3，观测到呈现特征光强分布：中间为高斯分布的圆形光斑，以该圆形光斑圆心为中心的正六边形的顶点上各出现一个衍射光斑，该六个光斑呈现不规则形状，当该六个光斑强度一致性最佳时，则该位置就是打靶激光束b的准直位置；
5)驱动所述的电动平移台3向下移动所述的第二反射镜4，使所述的第二反射镜4离开所述的打靶激光束b，激光与微通道靶准直调整结束。
穿过微通道后光强重新分布为光束c，光束c强度分布显示在观测平面9上，微调拨轮直至观测平面9上呈现特征光强分布(参见图3)，此时便达到较好准直效果。
实施例的参数如下：
所述的激光器1的参数是：中心波长635±5纳米，激光的最大功率是20mW，光束直径～2毫米，发散角小于0.9毫弧度。真空室10是真空状态。控制电动平移台3向上移动推进推出反射镜4至打靶激光束b位置，具体是推进推出反射镜4前表面中心位于打靶激光束b光轴处，电动装置调节完成后断电锁死，保证器件的位置不变，调整反射镜2与推进推出发射镜4，使模拟激光束a与打靶激光束b同轴传输且最终聚焦于同一位置，此时模拟激光束a的传输路径可以代表打靶激光束b的传输路径。将微通道姿态调节装置置于焦点附近，微通道靶7置于微通道靶姿态调节器8的拨轮上，该微通道靶的厚度为0.47±0.02毫米，通道直径为12±0.5微米，壁厚1～2微米，斜切角为12±0.5度，调整微通道靶姿态调节器使激光入射角为12度，并且使激光焦斑恰好在微通道靶7前表面。在微通道靶后方沿激光轴15cm处放置CCD，该CCD空间分辨率为3.67微米，接收到的图像显示在电脑屏幕，转动的同时观察电脑显示屏上呈现的光强分布情况。观测到中间为高斯分布的圆形光斑，该中心光斑半高全宽约为700微米，以该光斑圆心为中心的正六边形顶点上各出现一个不规则的衍射光斑，这六个光斑强度基本一致，但较中心光斑强度较弱，说明激光与通道轴基本准直，激光顺利穿过通道，此位置便是准直位置。继续转动旋转拨片，无光透过。实验表明，本发明能使激光与微通道靶实现较好准直效果以满足打靶实验需求，而且具有操作简便、准直效果好、成本低等特点。
上述实施例仅为本实用发明的优选实施例，并非限制本发明的保护范围，本发明可以做各种更改和变化，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种激光与微通道靶准直调节系统，该系统包括打靶激光光路的一部分，其特征在于还包括模拟光路、微通道姿态调节装置和观测平面(9)，所述的打靶激光光路的一部分包括，沿打靶激光光束(b)方向依次是第三反射镜(5)、离轴抛物面镜(6)和微通道靶(7)，所述的模拟光路包括激光器(1)、第一反射镜(2)、电动平移台(3)、第二反射镜(4)、第三反射镜(5)、离轴抛物面镜(6)、微通道靶(7)和微通道姿态调节器(8)，所述的第二反射镜(4)放置在所述的电动平移台(3)上，所述的微通道靶姿态调节器(8)装有可绕靶材中心法线360度旋转的拨轮，所述的微通道靶(7)置于所述的微通道姿态调节器(8)的拨轮上，所述的激光器(1)输出的模拟激光束(a)依次经过所述的第一反射镜(2)、第二反射镜(4)、第三反射镜(5)、离轴抛物面镜(6)和微通道靶(7)，所述的模拟激光束(a)穿过所述的微通道靶(7)后光强重新分布的光束(c)，该光强重新分布的光束(c)入射到所述的观测平面(9)，该光强重新分布的光束(c)的光轴垂直于所述的观测平面(9)的前表面，所述的第一反射镜(2)、电动平移台(3)、第二反射镜(4)、第三反射镜(5)、离轴抛物面镜(6)、微通道靶(7)、微通道靶姿态调节器(8)和观测平面(9)均位于真空室(10)内。
2.根据权利要求1所述的激光与微通道靶准直调节系统，其特征在于，所述的激光器(1)输出的模拟激光束(a)为连续光，聚焦后光强低于107W/cm2。
3.根据权利要求1所述的激光与微通道靶准直调节系统，其特征在于，所述的模拟激光束(a)的直径小于打靶激光束(b)的直径，两光束经所述的反射镜(5)和离轴抛物面镜(6)，且同轴传输并聚焦于同一点。
4.根据权利要求1所述的激光与微通道靶准直调节系统，其特征在于，所述的第二反射镜(4)跟随所述的电动平移台(3)上下移动，向下移动时可以完全退出打靶激光束(b)的光路且对打靶激光束(b)无遮挡。
5.根据权利要求1至4任一项所述的激光与微通道靶准直调节系统，其特征在于，所述的微通道靶(7)的通道直径大于等于3微米，并且该通道轴向与靶面法线方向夹角大于0度。
6.利用权利要求1所述的激光与微通道靶准直调节系统调节激光与微通道靶准直的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
1)驱动所述的电动平移台(3)向上移动所述的第二反射镜(4)，使第二反射镜4的前表面的中心位于所述的打靶激光束(b)光轴处，然后断电锁死所述的电动平移台(3)，保证器件的位置不变；
2)调整所述的第一反射镜(2)与所述的第二反射镜(4)，使所述的模拟激光束(a)与打靶激光束(b)传输方向平行，并且两者最终聚焦于同一位置；
3)在只有模拟激光束(a)的情况下，将所述的微通道姿态调节器(8)置于焦点附近，调整所述的微通道靶姿态调节器(8)使所述的模拟激光束(a)的入射角与斜切角大小一致，并且使激光焦斑恰好位于所述的微通道靶(7)的前表面；所述的模拟激光束a穿过所述的微通道靶7后形成光强重新分布的光束c，该光强重新分布的光束c入射到所述的观测平面9，该光强重新分布的光束c的光轴垂直于所述的观测平面9的前表面；
4)转动所述的微通道靶姿态调节器(8)的拨轮的同时，观察所述的观测平面(9)的光强分布情况，观测到中间为高斯分布的圆形光斑，以该圆形光斑圆心为中心的正六边形的顶点上各出现一个衍射光斑，该六个光斑呈现不规则形状，当该六个光斑强度一致性最佳时，则该位置就是打靶激光束(b)的准直位置；
5)驱动所述的电动平移台(3)向下移动所述的第二反射镜(4)，使所述的第二反射镜(4)离开所述的打靶激光束(b)，激光与微通道靶准直调整结束。
7.根据权利要求6所述的调节激光与微通道靶准直的方法，其特征在所述的观测平面(9)的光强分布情况，可用肉眼或用CCD观察。
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