[发明专利]提高高能拍瓦激光聚焦功率密度的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及高能拍瓦激光聚焦功率密度和自适应光学技术，特别是一种提高高能拍瓦激光聚焦功率密度的装置和方法。 

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，提高超强超短脉冲激光的聚焦功率密度都显得尤为重要。利用自适应光学原理改善波前质量是当前提高高能拍瓦激光峰值功率密度的最主要手段。 

自适应光学波前校原理如下：利用波前测量装置，如波前剪切干涉仪或哈特曼（S-H）波前测量仪，探测激光系统中聚焦元件之前的输出波前相位分布，并将其与理想波前分布做比较得出波前畸变量。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的激光波前相位发生相应的变化。波前探测器和变形镜组成一个自适应光学校正环路，通过多次循环测量和校正使得最终输出波前接近理想波前。校正好的波前再经过聚集元件聚焦，得到接近于衍射极限的焦斑。 

现有的利用自适应光学波前校正提高高能激光聚焦峰值功率密度的装置如图2所示，包括扩束系统3、大口径变形镜16、透射率为2%左右的反射镜13、离轴抛面镜6、缩束系统15、波前探测器10、高分辨率科学CCD9、计算机11和变形镜高压电源控制器12。在大型激光系统中，自适应光学校正的目的在于减小光斑聚焦焦斑的大小，提高焦斑的功率密度，因此所选的理想波前一般为理想平面波前，当聚焦元件前的波前质量接近理想平面波前时，其能聚焦的焦点大小也接近理论衍射极限。在实际的应用中，这种方法被实践证明是一种有效的能减小聚焦光斑大小，提高聚焦功率密度的方法，比如加拿大200TW的ALLS激光系统和日本JAERI激光系统都是通过这种方法校正波前畸变，使得聚焦后的光斑接近理论衍射极限，峰值功率达到10²⁰W/cm²，非常有利于极限条件下的物理实验。 

上述现有提高高能激光聚焦峰值功率密度的装置的问题是： 

首先，传统波前校正装置中的测量仪器位于聚焦元件之前，其参考的理想波前为理想平面波前，以参考平面波前为基准，通过变形镜的波前变化将变形镜出射波前校正为理想平面波前；

其次，由于测量仪器口径的限制，不能直接测量中大光斑的波前，一般都是通过一个缩束成像系统将光斑缩小，和波前探测器的口径相匹配，这就要求缩束成像系统不能引入额外的波前畸变，否则就会影响真实的波前测量；

再次，由于测量的波前在聚焦光学元件甚至压缩光学元件之前，因此即使把测量位置的波前校正为平面波前，并不能保证激光光斑能够聚焦到接近衍射极限，因为光斑在此之后还要经过聚焦元件，聚焦元件自身的加工精度和调节精度不可避免的引入新的波前畸变，使得校正好的波前发生劣化，影响最终的聚焦效果；

最后，该装置中，变形镜放置在光栅后，通常此处的光斑直径很大，对于高能拍瓦系统来说一般大于120mm,也就要求只有大口径的变形镜才能达到波前校正目的，增加了系统的成本。因此，传统的自适应光学波前校正环路要想达到比较好的校正效果，得到接近于衍射极限的焦斑，不仅要利用大口径变形镜把所测位置的光斑校正到理想平面波前，还要精密调节缩束成像系统和聚焦元件，避免引入新的波前畸变以至于影响测量和校正结果。它在提高高能量激光系统聚焦能力的应用中对其它相关器件和调节精度的要求比较高，操作较为复杂。