[发明专利]提高大光斑激光系统焦斑功率密度的装置

说明书

技术领域

本发明涉及自适应光学和激光技术，特别涉及一种提高大光斑激光系统焦斑功率密度的装置，适用于小口径变形镜提升大光斑激光系统焦斑功率密度的方法。

背景技术

超短超强激光科学以超短超强激光技术的发展，超短超强激光与物质的相互作用，以及在交叉学科和相关高技术领域中的前沿基础研究为研究对象，是重要的科学前沿领域，是实现极端物理条件，进而揭示物质本质的基础。

自二十世纪八十年代中期以来，高功率超短脉冲激光技术得到了飞速发展，包括我国在内的世界各科技大国相继建立了大型的高功率超短脉冲激光装置。超短超强激光以超高功率密度而著称，而提升靶面峰值功率密度始终是这一领域最主要的追求目标之一，因而其可聚焦的功率密度是超短超强激光系统中人们最主要的关注指标。为提升聚焦功率密度，在系统确定峰值功率的情况下，通过提高光束波前质量以达到减小焦斑尺度，从而提高聚焦功率密度是一种有效而经济的手段。但在实际的高功率激光系统中，由于放大过程中放大介质所存在的温度梯度效应、非线性效应及众多光学元件的像差等因素，导致动态和静态畸变，使得放大后的激光光束波前不再是理想平面。在聚焦时，导致焦斑尺度大、斯特利尔比值(Strehl ratio)低，从而导致激光能量不能有效地会聚。特别随着激光能量的不断增大、放大级次的不断增多，装置规模的不断升级，这些效应导致的畸变会越来越严重，最终使激光的高能量不能在实验研究中得到有效应用。由此，无论从那方面考虑，改善超短超强激光系统的输出波前质量都显得尤为重要。利用自适应光学原理改善波前质量是当前这一领域的最主要手段。

自适应光学改善波前的主要原理可概述如下：利用波前测量装置，如波前剪切干涉仪或S-H波前测量仪，探测激光系统的输出波前相位分布，所得的波前相位分布与理想波前相位分布做比较，二者差值就是畸变量。控制系统根据畸变量的大小，将所需的电压加到变形镜压电陶瓷的各个电极上，通过不同电极电压的正负和大小以改变变形镜的面形，从而使得变形镜反射激光波前相位发生相应的变化，变化后的波前相位再一次被探测，作为下一次控制变形镜的依据。这样，以理想波前为目标实现对输出实际波前相位的逐步改善，以此循环逼近，最终实现波前校正。必须强调的是，为实现变形镜良好的波前相位补偿目的，在这一反馈校正环路中，变形镜变形的依据一定是其表面波前相位的准确测量，因此，在现有的校正技术中必然要求变形镜和波前测量仪满足物像共轭关系。其典型光路布置如图1所示，图1涵盖了过去最常用的两种环路校正方式。图1所示的传统校正方法略做说明。图1校正系统包括激光源1、变形镜2、全反镜3、缩束透镜组4和5、波前测量仪6、离轴抛物镜9，还包括波前测量仪6的探测口径7、探测器平面(CCD阵列)8(注：该平面在波前测量仪外壳有白线标记)，离轴抛物镜9的焦点(激光系统靶点)10，计算机11。

图1中给出的校正方法之一：为校正有畸变的波前1，先对反射镜3后的漏光经缩束系统4和5缩束到适合波前测量仪6探测口径7大小的光斑，波前测量仪6置于缩束系统中恰当的位置，以保证探测器平面(CCD阵列)8和变形镜2的共轭成像平面位置重合，则图像探测器就能接收到变形镜2的一个清晰聚焦像，此时所测像波前即等价于变形镜2表面的光波波前。通过计算机11的反馈控制软件，此波前和理想参考波前(一般为平面波前)差值作为控制变形镜的依据，通过不同电极上相应电压的作用改变变形镜2的面形，使得变形镜2表面的出射波前逐渐逼近理想的参考波前，从而使焦点10处的焦斑尽可能小。这一校正方法的缺陷是由于波前探测仪的探测口径7一般很小，因而使得波前探测时需要借助于缩束系统。由于缩束系统不可能做到并调节到理想，必然引入一定的相位畸变，使得波前探测仪所测波前并非变形镜表面波前，因此必然错误控制变形镜面形，使得出射光斑不能接近理想参考波前。