[发明专利]一种高功率多程放大激光系统的光路设计方法

说明书

本发明涉及一种高功率多程放大激光系统的光路设计方法，属于激光系统技术领域，用空间频谱上的点表征各程光束的走向和腔反射镜姿态，建立各程光路频谱点和腔反射镜频谱点，基于相邻光程的光路频谱点相对于腔反射镜频谱点对称，构建各程光路频谱点和腔反射镜频谱点的相互关系，在二维平面内解析出各频谱点的位置，确定空间滤波器中小孔分布位置、各程光束走向和腔反射镜姿态，完成多程放大激光系统的光路设计，本发明将角谱对称理论应用于光束传播过程中，简化了设计过程，整个设计方法简单易行，特别适用于高功率多程放大激光系统的光路设计，适用范围广，适用于各种构型的光路设计。

技术领域

本发明属于激光系统技术领域，具体地说涉及一种高功率多程放大激光系统的光路设计方法。

背景技术

惯性约束聚变是靠粒子本身的惯性来实现“约束”的一种聚变方法，是一种将物质压缩并加热到高温高密度状态以实现可控热核聚变的科学技术，其产生的物质状态属于高能量密度物理研究的范畴，通常需要建造大型驱动器来实现能量加载，如高功率激光装置、高能粒子束装置、Z箍缩装置等。

目前，在这些驱动器技术中，激光驱动方式最为成熟，能够为惯性约束聚变提供“点火”量级的驱动能量。因此，世界主要大国均开展了不同程度的激光核聚变研究，并建造了系列大型高功率固体激光驱动器，如美国的国家点火装置(National IgnitionFacility)，法国的兆焦耳激光装置(Laser Megajoule)和中国的神光系列激光装置等。这些装置均采用了组合口径、多程放大(四程)的激光技术方案，即将多束激光排列成组束结构(如4×2阵列)，并使脉冲多次通过放大器来提取能量，以提高系统的抽取效率，降低整体造价。

随着研究的深入，人类目前已实现了聚变燃料的α粒子加热，并逐步逼近聚变点火，且有望在将来实现清洁的聚变能源。在向清洁能源迈进的道路上，激光驱动器的建设成本成为关键制约因素之一，为了降低装置造价，人们将采用更多程数及更为复杂的多程放大激光系统设计。光路是多程放大激光系统设计的核心问题之一，决定了能流设计、脉冲注入输出和级间隔离的可实现性，传统光路设计基于反射定律与折射定律，在空间域进行。由于面向未来装置的多程放大激光系统复杂程度更高和优化维度更多，空间光路设计方法难度大，在一定程度限制了多程放大激光系统的设计空间。

发明内容

针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，发明人根据光束传播的空域可以与脉冲传输的时域相对应，在脉冲传输过程中，许多时域无法分析的问题都通过变换到频域来进行，发明人将角谱对称理论应用于光束传播过程中，将空间光路设计变换到空间频域来进行，根据多程放大激光系统的光路特点，利用角谱对称实现了任意构型的高功率多程放大激光系统的光路设计。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种高功率多程放大激光系统的光路设计方法，包括以下步骤：

S1：用空间频谱上的点表征各程光束的走向和腔反射镜姿态，建立各程光路频谱点和腔反射镜频谱点；

S2：基于相邻光程的光路频谱点相对于腔反射镜频谱点对称，构建各程光路频谱点和腔反射镜频谱点的相互关系；

S3：在二维平面内解析出各频谱点的位置；

S4：确定空间滤波器中小孔分布位置、各程光束走向和腔反射镜姿态，完成多程放大激光系统的光路设计。

进一步，所述激光系统包括第一腔反射镜、第二腔反射镜、空间滤波器、放大器、等离子体电光开关和偏振片，所述第一腔反射镜、第二腔反射镜分别位于系统的两端，所述空间滤波器由2个透镜和小孔阵列组成，对光束进行空间低通滤波，所述放大器位于空间滤波器的侧面，所述等离子体电光开关和偏振片位于空间滤波器同侧，所述偏振片位于等离子体电光开关和第二腔反射镜之间。

进一步，在步骤S1之前还包括验证所述激光系统是否满足工程应用，具体验证方法为：