CN112222609A - 高峰值功率激光焦点的定位方法 - Google Patents

高峰值功率激光焦点的定位方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112222609A
CN112222609A CN202011001548.XA CN202011001548A CN112222609A CN 112222609 A CN112222609 A CN 112222609A CN 202011001548 A CN202011001548 A CN 202011001548A CN 112222609 A CN112222609 A CN 112222609A
Authority
CN
China
Prior art keywords
laser
porous mask
peak power
energy
focus
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202011001548.XA
Other languages
English (en)
Inventor
吴分翔
冷雨欣
许毅
张宗昕
杨晓骏
钱佳毅
归佳彦
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Original Assignee
Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS filed Critical Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority to CN202011001548.XA priority Critical patent/CN112222609A/zh
Publication of CN112222609A publication Critical patent/CN112222609A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B23K26/066—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms by using masks
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/03—Observing, e.g. monitoring, the workpiece
    • B23K26/032—Observing, e.g. monitoring, the workpiece using optical means

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

本发明公开了一种高峰值功率激光焦点的定位方法，放大激光先经多孔掩膜完成能量衰减，衰减后的激光进入压缩器压缩，然后被离轴抛面镜聚焦，其焦点通过CCD直接定位。此方法不需要引入其他复杂的能量衰减光路，仅利用多孔掩膜就可以将高峰值功率激光的能量充分衰减，而且不改变激光聚焦特性，从而能够实现激光焦点的直接定位。此外，通过优化多孔掩膜中小孔的数量和直径，还能轻松实现不同程度的激光能量衰减。本发明具有经济高效，实用性强的特点。

Description

高峰值功率激光焦点的定位方法
技术领域
本发明涉及激光焦点的定位，特别是一种高峰值功率激光焦点的定位方法。其中高峰值功率指激光峰值功率达到1015W以上。
背景技术
得益于啁啾脉冲放大以及光参量啁啾脉冲放大技术的发明，激光峰值功率实现了迅速增长。目前，世界上已经建成了多套拍瓦(1015W)量级的激光***，10拍瓦量级的激光***也被提出并竞相研制，相应的激光聚焦强度已经达到了1022W/cm2。如此高的激光聚焦强度可为众多学科研究创造前所未有的实验手段和极端物理条件，从而推动一系列强场激光物理及相关研究的发展。例如，激光尾波场电子加速、高能质子和离子加速、固体高次谐波等。此外，更高的激光聚焦强度也是被期望用于前沿的量子效应以及电动量子力学研究。可见，激光聚焦强度在激光物质相互作用的研究中起到了至关重要的作用。
为了获得更高的激光聚焦强度，科学家们致力于激光能量的提高，激光宽度的降低，以及激光聚焦光斑的减小，但这必将是一个复杂而且大花费的过程。然而，很少有人关注激光焦点的精确定位，只有当物理靶与激光焦点重合时，物理实验才能获得最高的激光强度。
在高峰值功率激光***中，由于放大器存在热透镜效应，激光的聚焦特性随放大能量变化。因此，在定位激光的焦点时，必须将激光全能量放大。为了降低激光能量而又不改变其聚焦特性，通常在终端放大器后引入一个能量衰减模块。常见的能量衰减模块有两种，一种是基于高质量、部分反射的平面镜或楔片的组合，另一种则是基于波片和偏振片的组合。相比较第一种，波片和偏振片的组合能实现连续可调的能量衰减，但它价格更高，而且不宜用作几个量级的精密衰减片。此外，考虑到拍瓦级激光的能量都在数十焦耳量级，这样的衰减模块未必能实现充分的能量衰减。而且，拍瓦级激光的大光束口径也对能量衰减模块中光学元件的尺寸提出了较高要求。因此，高质量大口径光学元件也是这类能量衰减模块的一种局限。在强激光物理实验过程中，由于激光焦点无法直接精确定位，物理靶的位置需要在实验过程中不断调节优化来靠近激光焦点位置，从而获得最高的激光聚焦强度。然而，由于高峰值功率激光***的低重复频率，这必将是一个缓慢而又麻烦的过程，尤其是对于固体靶。因为在物理实验中所采用的固体靶通常很薄，极容易被激光电离，而且固体靶所采用的离轴抛面镜都为小F/#数，所以激光焦点位置的微小偏差都会对实验结果造成较大的影响。
因此，为了在物理靶位置获得最高的激光聚焦强度，从而进一步推动激光物理实验研究，提出发明一种简单、经济的高峰值功率激光焦点的定位方法具有十分重要的意义。
发明内容
本发明目的在于克服上述现有激光能量衰减方法的局限性，提供一种简单经济的能量衰减方法，从而实现高峰值功率激光焦点的精确定位。该方法不需要引入其他复杂的激光能量衰减光路，仅通过多孔掩膜就能实现激光能量的充分衰减，而且不改变激光的聚焦特性，能大大节约成本，而且易于实现、方便调节，具有很大的推广价值。
本发明的技术方案如下：
一种高峰值功率激光焦点的定位方法，其特点在于，该方法包括以下步骤：
①测量放大激光进入在压缩器前的能量E和光束口径D；
②设计一个多孔掩膜，该多孔掩膜上各个小孔的直径相同，且满足数十微米量级，所有小孔透过光的总能量e满足数十微焦量级，公式如下：
e＝NE(d/D)2
式中，N为多孔掩膜上小孔的总数量，d为每个小孔的直径；
③沿放大激光光路方向将多孔掩膜放在压缩器前，使放大激光先经多孔掩膜进行能量衰减，衰减后的激光进入压缩器压缩，然后通过离轴抛面镜将压缩后的激光聚焦；
④利用CCD找到最强光点位置，即为激光焦点位置。
所述的多孔掩膜采用能够避免对激光产生强反射、溅射和吸收的材料制成。
所述的多孔掩膜中小孔的数量N和直径d可根据具体的激光峰值功率来调节。
所述的多孔掩膜中所有小孔的直径一样，同样直径的小孔能保证每个小孔后衍射光的方向一致，从而避免不同衍射方向对离轴抛面镜聚焦的影响。
所述的多孔掩膜中小孔的直径在数十微米量级，小孔直径越小，激光能量衰减越多；且此量级的小孔直径远大于激光波长，从而能够避免产生强衍射效应，以及其对激光压缩的影响；
所述的多孔掩膜要放在所述的压缩器之前，因为此处激光的光束口径最大，激光脉宽在纳秒量级，从而此处的激光强度较低，能够避免产生非线性效应。
所述的多孔掩膜中的小孔虽然会产生衍射效应，但由于所述的离轴抛面镜聚焦，其衍射图样的中心与所述的离轴抛面镜的焦点位置重合。因此，所述的CCD测得的最强光点位置就是待测激光的焦点位置。
与先技术相比，本发明具有以下显著特点：
1.不需要引入其他复杂的激光能量衰减光路，而且不会改变激光聚焦特性，简单经济；
2.通过优化多孔掩膜中小孔的数量和直径，能够实现不同程度的能量衰减，从而完成不同峰值功率激光焦点的直接定位，灵活性强；
3.适用于10拍瓦甚至未来的100拍瓦激光***。
附图说明
图1：本发明的结构示意图；
图2：本发明应用实施例的结构示意图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步描述，但不应以此限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明一种高峰值功率激光焦点的定位方法，放大激光先经多孔掩膜1进行能量衰减，衰减后的激光进入压缩器2压缩，然后被离轴抛面镜3聚焦，其焦点通过CCD4定位，具体包括以下步骤：
①测量放大激光进压缩器2前的能量E和光束口径D；
②设计一个多孔掩膜1,小孔的数量和直径分别为N和d，使小孔透过光的总能量满足数十微焦量级；
③沿放大激光光路方向将多孔掩膜1放在压缩器2前，使放大激光先经多孔掩膜1进行能量衰减，衰减后的激光进入压缩器2压缩，然后通过离轴抛面镜3将压缩后的激光聚焦；
④利用CCD4找到最强光点位置，即为激光焦点位置。
如图2所示，本发明的应用实施例一套1拍瓦钛宝石激光***，***包括前端5、脉冲净化装置6、展宽器7、再生放大器8、多通放大器9、第一功率放大器10、第二功率放大器11、终端放大器12。放大激光能量为50J，光束直径为230mm，中心波长为0.8μm。此条件下，利用传统的测量方法，需要至少5片的大口径高质量部分反射镜来衰减激光能量，才能实现激光焦点的直接定位。一方面，由于光束口径较大，所需的高质量反射镜必然十分昂贵；另一方面，衰减后的激光由于太弱，无法精确校准，这又必然会对下面的激光压缩和聚焦产生影响。
根据上述情况，利用白陶瓷制作一个多孔掩膜1，其小孔直径为50μm，数量为30，均匀分布在直径230mm的圆圈内。首先在大能量条件下将激光校准，然后按放大激光的光路方向在压缩器2前放入多孔掩膜1。此时，多孔掩膜1透过光的总能量约70μJ。由于小孔直径50μm远大于激光中心波长0.8μm，因此不会产生强衍射效应，也就不会对激光压缩产生影响。此外，每个小孔的直径都一样，因此每个小孔后衍射光的传播方向一致，这样就避免了不同衍射方向对离轴抛面镜3聚焦的影响。在此情况下，利用CCD4可直接定位激光的焦点。所测结果与传统方法相比，焦点位置相差0.2mm，仅为此聚焦***焦深(4mm)的5％，结果的一致性也充分地验证了该方法的正确性和可行性。

Claims (3)

1.一种高峰值功率激光焦点的定位方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
①测量放大激光进入压缩器(2)前的能量E和光束口径D；
②设计一个多孔掩膜(1)，该多孔掩膜(1)上各个小孔的直径相同，且满足数十微米量级，所有小孔透过光的总能量e满足数十微焦量级，公式如下：
e＝NE(d/D)2
式中，N为多孔掩膜(1)上小孔的总数量，d为每个小孔的直径；
③沿放大激光光路方向将多孔掩膜(1)放在压缩器(2)前，使放大激光先经多孔掩膜(1)进行能量衰减，衰减后的激光进入压缩器(2)压缩，然后通过离轴抛面镜(3)将压缩后的激光聚焦；
④利用CCD(4)找到最强光点位置，即为激光焦点位置。
2.根据权利要求1所述的高峰值功率激光焦点的定位方法，其特征在于，步骤②所述的多孔掩膜(1)采用能够避免对激光产生强反射、溅射和吸收的材料制成。
3.根据权利要求1所述的高峰值功率激光焦点的定位方法，其特征在于，步骤②所述的多孔掩膜(1)中小孔的数量N和直径d可根据具体的激光峰值功率来调节。
CN202011001548.XA 2020-09-22 2020-09-22 高峰值功率激光焦点的定位方法 Pending CN112222609A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011001548.XA CN112222609A (zh) 2020-09-22 2020-09-22 高峰值功率激光焦点的定位方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011001548.XA CN112222609A (zh) 2020-09-22 2020-09-22 高峰值功率激光焦点的定位方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN112222609A true CN112222609A (zh) 2021-01-15

Family

ID=74108891

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011001548.XA Pending CN112222609A (zh) 2020-09-22 2020-09-22 高峰值功率激光焦点的定位方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112222609A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113720221A (zh) * 2021-09-16 2021-11-30 中国科学院力学研究所 一种基于激光诱导高压等离子体原理驱动小颗粒高速入水的实验***

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006023321A1 (de) * 2006-05-18 2007-11-22 Coherent Lambda Physik Gmbh System zur Fokusüberwachung bei der Bearbeitung eines reflektierenden Substrates mittels eines Lasers
CN101319959A (zh) * 2008-07-16 2008-12-10 中国科学院上海光学精密机械研究所 离轴抛物面镜点聚焦能力测定装置和测定方法
US20090127429A1 (en) * 2006-02-20 2009-05-21 Wavelight Ag Apparatus and method for detecting the focal position of an optical system and opthalmological treatment apparatus
CN101750836A (zh) * 2009-12-25 2010-06-23 中山大学 一种超短脉冲激光倍频连续衰减器
CN101794962A (zh) * 2010-03-10 2010-08-04 中国科学院光电技术研究所 一种自适应高阶横模激光相干合成装置
CN102608757A (zh) * 2012-03-09 2012-07-25 中国科学院上海光学精密机械研究所 提高高能拍瓦激光聚焦功率密度的装置和方法
CN102656421A (zh) * 2009-12-23 2012-09-05 Imra美国公司 利用结构化光学元件和聚焦光束的激光刻图
US20170066079A1 (en) * 2014-05-12 2017-03-09 Boegli Gravures Sa Device for Mask Projection of Femtosecond and Picosecond Laser Beams with Blade, Mask, and Lens System
CN209656921U (zh) * 2019-04-25 2019-11-19 陕西众森电能科技有限公司 一种用于太阳模拟器光能衰减的光衰装置
KR20200002422A (ko) * 2018-06-29 2020-01-08 한국기계연구원 레이저 가공 장치 및 이를 이용한 레이저 가공 방법

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090127429A1 (en) * 2006-02-20 2009-05-21 Wavelight Ag Apparatus and method for detecting the focal position of an optical system and opthalmological treatment apparatus
DE102006023321A1 (de) * 2006-05-18 2007-11-22 Coherent Lambda Physik Gmbh System zur Fokusüberwachung bei der Bearbeitung eines reflektierenden Substrates mittels eines Lasers
CN101319959A (zh) * 2008-07-16 2008-12-10 中国科学院上海光学精密机械研究所 离轴抛物面镜点聚焦能力测定装置和测定方法
CN102656421A (zh) * 2009-12-23 2012-09-05 Imra美国公司 利用结构化光学元件和聚焦光束的激光刻图
CN101750836A (zh) * 2009-12-25 2010-06-23 中山大学 一种超短脉冲激光倍频连续衰减器
CN101794962A (zh) * 2010-03-10 2010-08-04 中国科学院光电技术研究所 一种自适应高阶横模激光相干合成装置
CN102608757A (zh) * 2012-03-09 2012-07-25 中国科学院上海光学精密机械研究所 提高高能拍瓦激光聚焦功率密度的装置和方法
US20170066079A1 (en) * 2014-05-12 2017-03-09 Boegli Gravures Sa Device for Mask Projection of Femtosecond and Picosecond Laser Beams with Blade, Mask, and Lens System
KR20200002422A (ko) * 2018-06-29 2020-01-08 한국기계연구원 레이저 가공 장치 및 이를 이용한 레이저 가공 방법
CN209656921U (zh) * 2019-04-25 2019-11-19 陕西众森电能科技有限公司 一种用于太阳模拟器光能衰减的光衰装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113720221A (zh) * 2021-09-16 2021-11-30 中国科学院力学研究所 一种基于激光诱导高压等离子体原理驱动小颗粒高速入水的实验***

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhu et al. Status and development of high-power laser facilities at the NLHPLP
Crane et al. Progress on converting a NIF quad to eight, petawatt beams for advanced radiography
TWI632611B (zh) 雷射退火裝置及雷射退火方法
CN112332200B (zh) 一种产生具有烧蚀预脉冲的强场脉冲装置及其实现方法
CN106099624B (zh) 激光激发空气等离子体产生高强度太赫兹波的***和方法
CN111600190A (zh) 超强啁啾激光脉冲分步压缩装置
Zvorykin et al. Experimental capabilities of the GARPUN MTW Ti: sapphire–KrF laser facility for investigating the interaction of subpicosecond UV pulses with targets
CN112222609A (zh) 高峰值功率激光焦点的定位方法
CN104810721A (zh) 基于受激布里渊散射脉宽压缩的高能量数百皮秒激光装置
CN213934277U (zh) 一种利用飞秒激光多路并行技术制备衍射光栅的装置
CN207457619U (zh) 一种基于金属平行平板的用于产生类贝塞尔光束的装置
CN107611755B (zh) 间距可调的双等离子体产生高强度太赫兹波的***和方法
CN105449507A (zh) 一种用于飞秒激光脉冲放大***中脉冲前沿畸变的补偿装置和补偿方法
CN108594461B (zh) 内部分光型光栅压缩器
CN208637786U (zh) 飞秒激光脉冲频谱整形装置
CN102882117B (zh) 一种全固态皮秒激光多通放大器
CN110658632A (zh) 匀化的非相干光源装置
CN115332933A (zh) 基于多光束相干叠加的高功率激光装置
CN1713061A (zh) 啁啾脉冲放大***中压缩器的光栅调节方法
CN108107642A (zh) 一种固体和频钠导星光谱连续激光输出装置及输出方法
CN101363798A (zh) 激光飞秒探针装置
CN110718846B (zh) 飞秒激光脉冲前沿及波前畸变的补偿装置方法
CN114374135A (zh) 一种基于激光相干合成的太赫兹波产生***
CN207946631U (zh) 一种固体和频钠导星光谱连续激光输出装置
CN111952820A (zh) 激光脉冲展宽器与展宽方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20210115

RJ01 Rejection of invention patent application after publication