CN113540945A - 一种激光驱动装置和获得均匀光场的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种激光驱动装置与获得均匀光场的方法，所述激光驱动装置是一种基于窄带低空间相干光获得均匀光场、用于激光聚变级的高激光驱动装置。窄带低空间相干光作为激光驱动装置的种子源，放大传输单元对种子源进行放大，频率转换单元实现激光频率转换，聚焦组件用于激光聚焦及均匀照明。本发明提高了激光驱动装置输出光场的均匀度，解决了宽光谱带技术方案来的倍频效率低下的问题和减小自聚焦引起的光学元件损伤问题，突破了因紫外元件负载受限而导致的能量受限，提升了激光驱动装置的整体输出能量，进而提高了激光装置的整体效率。

Description

一种激光驱动装置和获得均匀光场的方法
技术领域
本发明涉及激光领域，尤其涉及一种用于激光聚变研究的激光驱动装置及获得均匀光场的方法。
背景技术
在高功率激光惯性约束聚变驱动器中，不均匀光场辐照靶面，在内爆过程中，会引发流体不稳定性和激光等离子体相互作用的不稳定性，致使实验失败。目前主要采用空域束匀滑技术和时域束匀滑技术相结合的方式，来解决光场不均匀的问题，但均匀度仍不能满足实验的要求。也有采用宽带光源进行束匀滑的方案，但无法实现高效放大和频率转换效率。且在目前的激光驱动装置中，激光的空间相干性在传输放大中产生的位相扰动将导致的非线性自聚焦，引起光学器件的损伤，从而限制激光驱动器的负载能力。故此，围绕低空间相干性的高功率激光装置，本发明不但能进一步提高激光输出的能量，也能实现物理实验室的均匀辐照。
发明内容
目前的激光驱动装置，因存在位相扰动，光场均匀度差，导致自聚焦引起元件损伤，使得激光输出受限。目前的解决方案中，利用宽光谱带技术，无法实现高效高能输出；利用空域束匀滑技术和时域束匀滑技术相结合的方式，均匀度仍不能满足实验的要求的问题。为解决上述问题，本发明提出了一种基于窄带低空间相干光光源的激光驱动装置。
目前空域束匀滑技术之所以需要时域束匀滑技术配合，是因为入射光场是一个空间上是一个高度相干的光场，在经过空域束匀滑模块分成的子光束之间也是相干的，从而产生的高频调制光场，高频调制光场在整个脉冲持续时间内斑纹的空间分布不变，这对内爆产生不利，时域匀滑技术通过在相干时间内增加独立斑纹的数量，从而在整个时间范围内积分效果上匀滑掉高阶模的不均匀性，但时域束匀滑技术只能消除部分高频信息，因此光场均匀度目前还不能达到实验需求。
发明人发现空域束匀滑结合时域束匀滑技术方案本身是没有问题的，本质原因在于这个方案调控的是一个空间高度相干的光场，在特定的空域和时域，还是存在定域调制的，只是在全时域的积分过程中，表现为均匀分布。因此，本发明提出一个基于窄带低空间相干的光源的光作为种子源的激光驱动器。这样经放大后获得一个低空间相干的激光光场，解决了光场辐照均匀性不随时空改变的难题。
本发明中，低相干光在传输放大过程，对类似于目前激光装置中由干涉调制引起的各类损伤，将大大降低，从而提高激光驱动装置的负载能力。由于目前的倍频、三倍频晶体，其匹配角比较小，因此宽带倍频转换效率较差。因此，本发明提出不但要满足低空间相干的特性，还需满足窄带特性。本发明通过激光腔的阈值调节及激光增益介质的增益窄化效应，对增益介质荧光谱进行窄化，使其满足频率转换匹配角，得到高的频率转换效率，从而提高整个激光驱动器的效率。
本发明具体技术解决方案如下：
一种激光驱动装置，以一个窄带低空间相干光光源作为种子源，进行高效的放大传输和频率转换，最终实现靶面的均匀辐照。
一种激光驱动装置，包括：激光种子源(1)、放大传输单元(2)、频率转换单元 (3)、聚焦单元(4)；所述激光种子光源(1)为窄带低空间相干光光源，用于产生窄带的、低空间相干的激光；所述放单传输单元(2)用于激光的放大传输；所述频率转换单元(3)用于激光频率的变换；所述聚焦单元(4)用于实现激光聚焦；所述激光种子光源(1)产生窄带低空间相干光，经过所述的放大传输单元(2)进行放大，被放大后的光再经过所述的频率转换单元(3)进行频率转换，频率转换后的光经过所述聚焦单元(4)进行聚焦。
所述激光种子源(1)为带宽不超过
Figure BDA0002447564970000023
的低空间相干光源。例如对于KDP晶体在三倍频过程中，在二类相位匹配时，若带宽为
Figure BDA0002447564970000024
则可保证三倍频转换效率高达 60～70％；若带宽增加到
Figure BDA0002447564970000021
转换效率为50～60％，与带宽
Figure BDA0002447564970000022
相比三倍频转换效率下降15％。
所述激光种子源(1)是一个低空间相干光源，即根据范西特-泽尼克定理，激光光场的复空间相干度的模小于1，更优的小于0.5。
所述放大传输单元(2)具有激光放大传输功能，放大单元包括一个或多个放大增益介质；放大增益介质的形状可以是棒状、片状等；激光可以单次或多次通过同一个放大增益介质，获得需要的增益放大。
所述放大传输单元(2)还包括控制光束发散角的空间传输装置，能够实现激光束的传输调控。
所述放大传输单元(2)还包括空间滤波器，本发明的所述空间滤波器可以对传统的空间滤波器进行简化，使放大传输单元的结构(2)结构更加简单。
所述频率转换单元(3)进行的频率转换可以是二倍频，也可以是三倍频或四倍频。
所述聚焦单元(4)包括起聚焦作用的光学元件。
所述的其聚焦作用的光学元件是非球面透镜、反射聚焦镜、楔形聚焦透镜中的一种。
所述聚焦单元(4)还可以包括列阵透镜或阵列正交柱透镜。
所述聚焦单元(4)还可以包括起调节相位作用的光学元件。
所述起调节相位作用的光学元件是可变形反射镜。
所述激光驱动装置还可以包括光束整形组件(6)。
所述光束整形组件(6)用于对光束强度、相位进行控制。
所述光束整形组件(6)为锯齿光阑、双折射透镜组结合中性密度滤波器、振幅型(或相位型)二元光学面板、二元透过率液晶盒、振幅型电寻址调制器、振幅型光寻址调制器、位相型电寻址空间光调制器、自适应光学组件中的一种或几种。
所述激光驱动装置还可以包括测量单元(7)。
所述测量单元(7)用于测量激光驱动装置中的各类信号。
所述激光驱动装置还可以包括准直组件(8)。
所述准直组件(8)用于对激光驱动装置中的各光束进行准直。
所述激光驱动装置还可以包括控制组件(9)。
所述控制组件(9)用于对激光驱动装置中各类信号进行控制。
本发明还提供了一种获得均匀聚焦光斑的方法：采用窄带低空间相干光光源作为激光种子源(1)，经过放大传输单元(2)进行放大，被放大后的光再经过频率转换单元(3)进行频率转换，频率转换后的光经聚焦单元(4)进行聚焦，获得近、远场都均匀光斑。
与在先技术相比，本发明提供的基于窄带低空间相干光的激光驱动装置，能有效解决目前高功率激光装置中存在的功率能量、紫外负载和辐照均匀性三大受限瓶颈问题：
(1)解决了物理实验中最为重要的光场均匀辐照问题；
(2)克服了利用宽光谱光源带来的放大和频率低效的问题；
(3)解决了激光驱动装置中由非线性效应导致的光学元件成丝损伤问题。
另外，本发明具有结构简单、调节方便、高效易行、实用性强的特点，该装置可在原有的基础上可以简化，如原空域、时域束匀滑组件可以减少、空间滤波等功能可以简化。为激光聚变提供了全新的激光驱动器，有助直接和间接驱动的聚变点火。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1：本发明的简易结构示意图
图2(a)：本发明中激光驱动装置的放大传输单元(2)中的空间滤波器结构
图2(b)：传统激光驱动装置的放大传输单元(2)中的空间滤波器结构
图3(a)：本发明中激光驱动装置的频率转换单元(3)(三倍频频率转换)
图3(b)：传统激光驱动装置的频率转换单元(3)(三倍频频率转换)
图4：本发明中激光驱动装置的聚焦单元(4)
图5：本发明获得的放大传输及频率变换后的光场图(a)近场(b)远场。
图6：本发明中激光驱动装置的频率转换单元(3)(四倍频频率转换)
图7：本发明中激光驱动装置的聚焦单元(4)
图8：本发明中激光驱动装置的聚焦单元(4)
图9：本发明中激光驱动装置的聚焦单元(4)
图10：包括准直组件(8)、测量单元(7)、控制组件(9)的激光驱动装置的结构示意图
图11：包括光束整形组件的激光驱动装置的结构示意图
图12：包括光束整形组件的激光驱动装置的结构示意图
图13：本发明中激光驱动装置的放大传输单元(2)中的空间传输装置
图例说明
1:激光种子源；2：放大传输单元；3：频率转换单元；4：聚焦单元；5：靶；
6：光束整形组件；7：测量单元；8：准直组件；9：控制组件；
202：空间滤波器；201:前置放大级；203：后置放大级；2021：第一扩束透镜；2022：空间滤波小孔；2023：第二扩束透镜，204：简化的空间滤波器；205：1/4波片；206：棒状放大增益介质激光头；207：第一偏振分光棱镜；208：腔内空间滤波器；209：第一反射镜；210：第二偏振分光棱镜；211：空间传输滤波器；212：法拉第旋光器； 213：第二反射镜；214：扩束器；215：第一片状放大增益介质激光头；216：第一空间滤波器；217：第二片状放大增益介质激光头；218：偏振发射镜；219：第一全反镜；220：第二全反镜；221：第二空间滤波器；222：空间传输装置；2221:第一透镜； 2222：第二透镜；
30：基频随机相位板；31：真空窗口；32：倍频晶体；33：三倍频晶体；34：二倍频随机相位板；35：四倍频晶体；
41:非球面透镜；42：楔形聚焦透镜；43：可变形反射镜；44：列阵透镜；45：光束偏转镜组；46：反射聚焦镜；
61：可变形反射镜；62：锯齿光阑。
具体实施方式
为使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对于本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。以下结合说明书附图和优选的具体实施例对本发明作进一步的说明和描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
实施例一：
本实施例为一种激光驱动装置，如图1所示，该激光驱动装置包括：激光种子源(1)、放大传输单元(2)、频率转换单元(3)、聚焦单元(4)、靶(5)。激光种子源(1)为窄带低空间相干光，带宽
Figure BDA0002447564970000022
相干光经过放大传输单元(2)进行放大传输，然后再经过频率转换单元(3)进行频率转换，频率转换单元进行频率转换后的光，经过聚焦单元(4)进行聚焦，最后辐照靶(5)。
本实施例中放大传输单元(2)，如图2(a)所示，包括前置放大级(201)、后置放大级(203)、简化的空间滤波器(204)；简化的空间滤波器(204)包括扩束透镜2021、扩束透镜2023。在传统的放大传输装置中(如图2(b)所示)，空间滤波器(202)不仅包括扩束透镜2021、扩束透镜2023，还包括空间滤波小孔2022。本发明中，空间滤波器可以免去空间滤波小孔，这一简化降低了激光装置的调试难度，提升了激光装置的打靶效率。
本实施例中频率转换单元(3)，如图3(a)所示，为三倍频放大，具体包括真空窗口(31)、倍频晶体(32)、三倍频晶体(33)。在传统的频率转换单元中(如图 3(b)所示)，还包括了基频随机相位板(30)、二倍频随机相位板(34)。本发明中，基频随机相位板(30)、二倍频随机相位板(34)被简化，机构更简单，降低了激光装置的调试难度。
本实施例中聚焦单元(4)，如图4所示，聚焦透镜为非球面透镜(41)。
图5是本实施方案的基于低空间相干光的激光驱动装置的近场(a)和远场输出图(b)。
实施例二：
本实施例中频率转换单元(3)，如图6所示，为四倍频放大，具体包括真空窗口(31)、倍频晶体(32)、三倍频晶体(33)、四倍频晶体(35)。
本实施例中聚焦单元(4)，如图7所示，聚焦透镜为楔形聚焦透镜(42)。
实施例三：
如图8所示，本实施例中聚焦单元(4)包括可变形反射镜(43)、光束偏转镜组(45)、反射聚焦镜(46)。
实施例四：
如图9所示，本实施例中聚焦单元(4)包括可变形反射镜(43)、列阵透镜(44)、非球面透镜(41)。
实施例五：
实施例五是在实施例一的基础上，加上准直组件8、测量单元7、控制组件9，如图10所示。准直组件8对激光驱动装置中各光束进行准直；测量7对激光驱动装置中各类信号进行测量；控制组件8对激光驱动装置中各类信号进行控制。准直组件8、测量组件7、控制组件9，能够协助激光驱动装置，高效高质量完成打靶。
实施例六：
本实施例是在实施例一的基础上，在光束放大传输单元(2)中结合了光束整形组件(6)，如图11所示。光束整形组件(6)对光束强度、相位进行有效控制，包括可变形反射镜(61)、锯齿光阑(62)。放大传输单元(2)包括1/4波片(205)、棒状放大增益介质激光头(206)、第一偏振分光棱镜(207)、腔内空间滤波器(208)、第一反射镜(209)、第二偏振分光棱镜(210)、空间传输滤波器(211)、法拉第旋光器(212)、第二反射镜(213)、扩束器(214)。
实施例七：
本实施例是在实施例一的基础上，在光束放大传输单元(2)中结合了光束整形组件(6)，如图12所示。光束整形组件(6)包括可变形反射镜(61)。放大传输单元(2)包括2第一片状放大增益介质激光头(215)、第一空间滤波器(216)；第二片状放大增益介质激光头(217)；偏振发射镜(218)；第一全反镜(219)；第二全反镜(220)、第二空间滤波器(221)。
实施例八：
本实施例中放大传输单元(2)中的空间传输装置(222)，如图13所示，包括第一透镜(2221)、第二透镜(2222)，所述空间传输装置(222)放置在激光种子源 (1)之后，位于空间滤波器之前，对激光发散角进行压缩。

Claims (16)

1.一种激光驱动装置，其特征在于包括：激光种子源(1)、放大传输单元(2)、频率转换单元(3)、聚焦单元(4)；所述激光种子光源(1)为窄带低空间相干光光源，用于产生窄带的、低空间相干的激光；所述放单传输单元(2)用于激光的放大传输；所述频率转换单元(3)用于激光频率的变换；所述聚焦单元(4)用于实现激光聚焦；所述激光种子光源(1)产生窄带低空间相干光，经过所述的放大传输单元(2)进行放大，被放大后的光再经过所述的频率转换单元(3)进行频率转换，频率转换后的光经过所述聚焦单元(4)进行聚焦。
2.一种如权利要求1所述的激光驱动装置，其特征在于所述激光种子源(1)为带宽不超过
Figure FDA0002447564960000011
的低空间相干光源。
3.一种如权利要求1所述的激光驱动装置，其特征在于所述激光种子源(1)的激光光场的复空间相干度的模小于1。
4.一种如权利要求1所述的激光驱动装置，其特征在于所述放大传输单元(2)包括一个或多个放大增益介质。
5.一种如权利要求4所述的激光驱动装置，其特征在于所述放大增益介质是棒状或片状。
6.一种如权利要求4所述的激光驱动装置，其特征在于所述放大传输单元(2)包括控制光束发散角的空间传输装置，用于实现激光束的传输调控。
7.一种如权利要求1所述的激光驱动装置，其特征在于所述频率转换单元(3)进行的频率转换可以是二倍频，也可以是三倍频或四倍频。
8.一种如权利要求1所述的激光驱动装置，其特征在于所述聚焦单元(4)包括起聚焦作用的光学元件。
9.一种如权利要求1所述的激光驱动装置，其特征在于所述聚焦单元(4)还包括列阵透镜或列阵正交柱透镜。
10.一种如权利要求1所述的激光驱动装置，其特征在于所述聚焦单元(4)还包括起调节相位作用的光学元件。
11.一种如权利要求1-10所述的激光驱动装置，其特征在于还包括：光束整形组件(6)；所述光束整形组件(6)用于对光束强度、相位进行控制。
12.一种如权利要求11所述的激光驱动装置，其特征在于所述光束整形组件(6)为锯齿光阑、双折射透镜组结合中性密度滤波器、振幅型(或相位型)二元光学面板、二元透过率液晶盒、振幅型电寻址调制器、振幅型光寻址调制器、位相型电寻址空间光调制器、自适应光学组件中的一种或几种。
13.一种如权利要求1-10所述的激光驱动装置，其特征在于还包括测量单元(7)，所述测量单元(7)用于测量激光驱动装置中的各类信号。
14.一种如权利要求1-10所述的激光驱动装置，其特征在于还包括准直组件(8)，所述准直组件(8)用于对激光驱动装置中的各光束进行准直。
15.一种如权利要求1-10所述的激光驱动装置，其特征在于还包括控制组件(9)，所述控制组件(9)用于对激光驱动装置中各类信号进行控制。
16.一种获得均匀光场的方法，其特征在于，采用窄带低空间相干光光源作为激光种子源(1)，经过放大传输单元(2)进行放大，被放大后的光再经过频率转换单元(3)进行频率转换，频率转换后的光经聚焦单元(4)进行聚焦，获得近、远场都均匀的光场。
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