CN114089310B - 一种激光束靶耦合传感器 - Google Patents

Abstract

一种激光束靶耦合传感器，解决了如何高精度束靶耦合的问题，属于光电传感器领域。本发明包括：侧路监测单元位于实验靶侧向，用于确定实验靶的靶面位置，进行粗定位；测距模块用于确定实验靶的靶面位置，进行精细定位；定位过程中，利用调焦平台带动传感器主体运动，使实验靶位于预先标定出的传感器共轭位置。主激光束的焦斑与实验靶上靶点关于双面反射镜外反射面为光学共轭关系；靶点监测单元位于实验靶正向，监测实验靶上的靶点位置；主激光束监测单元用于对束靶耦合时激光焦斑位置进行监测；利用靶点与焦斑位置的换算关系确定靶点与焦斑的相对位置关系、光束准直情况以及光束合束情况。并调整主激光器的入射位置，完成激光束靶耦合。

Description

一种激光束靶耦合传感器

技术领域

本发明涉及一种超小F#激光束靶耦合传感器，涉及光电传感器领域。

背景技术

超小F^#高能激光打靶物理实验是极端物理、相对论等离体子物理、强辐射源、激光加速器、激光核物理等前沿领域的重要研究手段。在高能激光打靶实验中，实验靶精度定位以及高精度束靶耦合是影响实验结果的重要因素。由于打靶激光相对靶近似正入射，靶定位及束靶耦合精度要求高，而且有合束监测需求，尤其主激光束的F^#仅为F/2～F/3之间，激光焦斑极小，尺寸仅为3μm～5μm，焦斑中心精确定位十分困难，同时激光线宽大，色散误差很难控制，现有的传统光学共轭式束靶耦合传感器在功能和指标方面难以满足实验需求。

发明内容

针对现有光学共轭传感器如何高精度束靶耦合的问题，本发明提供一种超小F#激光束靶耦合传感器。

本发明的一种超小F#激光束靶耦合传感器，包括：

靶点监测单元、侧路监测单元、主激光束监测单元、双面反射镜1、测距模块7、1号半反半透镜8和调焦平台14；

靶点监测单元位于实验靶9正向，靶点监测单元的出射光经双面反射镜1的内反射面反射后对实验靶9的正向照明，并对实验靶9的靶面成像，监测实验靶9上的靶点位置；

侧路监测单元位于实验靶9侧向，侧路监测单元的出射光对实验靶9的侧面照明，

并对实验靶9的侧面成像，用于确定实验靶9的靶面位置；

1号半反半透镜8位于实验靶9和双面反射镜1之间，测距模块7位于1号半反半透镜8的上方，测距模块7出射的测量光经1号半反半透镜8反射后到达实验靶9表面，测距模块7用于确定实验靶9的靶面位置；

主激光束的焦斑与实验靶9上靶点关于双面反射镜1外反射面为光学共轭关系；

主激光束入射至双面反射镜1的外反射面，经双面反射镜1的外反射面反射后汇聚至主激光束监测单元，主激光束监测单元用于对束靶耦合时激光焦斑的位置、主激光束调焦时光束汇聚质量、主激光束汇聚时光束的指向进行监测；

靶点监测单元、侧路监测单元、主激光束监测单元、双面反射镜1、测距模块7、1号半反半透镜8共同组成束靶耦合传感器主体；

束靶耦合传感器主体设置在调焦平台14上，通过调焦平台14带动传感器主体运动，使实验靶9的靶面位于预先标定出的传感器共轭位置。

本发明超小F#激光束靶耦合传感器的束靶耦合方法，包括：

S1、将实验靶9固定，利用侧路监测单元监测实验靶9的靶面位置，通过调整调焦平台14带动传感器主体运动，使实验靶9的靶面位于预先标定出的传感器共轭位置，实现粗定位；

S2、利用测距模块7监测实验靶9的靶面位置，通过调整调焦平台14带动传感器主体运动，使实验靶9的靶面位于预先标定出的传感器共轭位置，实现精定位；

S3、确定靶点监测单元监测的靶点位置与主激光束监测单元监测的激光焦斑位置的换算关系；

S4、靶点监测单元监测实验靶9上的靶点位置A，并根据换算关系，获得该靶点位置对应在主激光束监测单元上激光焦斑的位置B；

S5、主激光器发射的主激光束入射至双面反射镜1的外反射面，并汇聚至主激光束监测单元，调整主激光器的正入射位置，直至主激光束监测单元监测到的激光焦斑的位置位于位置B处；

S6、移走超小F#激光束靶耦合传感器，利用此时实验靶9和主激光器的正入射位置进行束靶耦合。

本发明的有益效果，本发明的束靶耦合传感器采用多探测器进行实验靶与激光焦斑分别监测的方式，对实验靶与激光焦斑精确定位，实现高精度束靶耦合，通过靶点显微成像结合激光焦斑反射放大监测等技术获取靶与激光焦斑的相对位置关系、光束准直情况以及光束合束情况。

附图说明

图1为本发明的原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本实施方式的一种超小F#激光束靶耦合传感器，本发明包括靶点监测单元、侧路监测单元、主激光束监测单元、双面反射镜1、测距模块7、1号半反半透镜8和调焦平台14；

靶点监测单元位于实验靶9正向，靶点监测单元的出射光经双面反射镜1的内反射面反射后对实验靶9的正向照明，并对实验靶9的靶面成像，监测实验靶9上的靶点位置；

侧路监测单元位于实验靶9侧向，侧路监测单元的出射光对实验靶9的侧面照明，并对实验靶9的侧面成像，用于确定实验靶9的靶面位置；

1号半反半透镜8位于实验靶9和双面反射镜1之间，1号半反半透镜8位于实验靶9与双面反射镜1之间，镜面与靶点监测单元经双面反射镜90°转向后的光轴呈45°角；

测距模块7位于1号半反半透镜8的上方，测距模块7出射的测量光经1号半反半透镜8反射后到达实验靶9表面，测距模块7用于确定实验靶9的靶面位置；

主激光束的焦斑与实验靶9上靶点关于双面反射镜1外反射面为光学共轭关系；

主激光束入射至双面反射镜1的外反射面，经双面反射镜1的外反射面反射后汇聚至主激光束监测单元，主激光束监测单元用于对束靶耦合时激光焦斑的位置、主激光束调焦时光束汇聚质量、主激光束汇聚时光束的指向进行监测；

靶点监测单元、侧路监测单元、主激光束监测单元、双面反射镜1、测距模块7、1号半反半透镜8共同组成束靶耦合传感器主体；

束靶耦合传感器主体设置在调焦平台14上，调焦平台14的运动方向与靶面成像物镜2经双面反射镜1反射后90°转向的光轴方向一致；通过调焦平台14带动传感器主体运动，使实验靶9的靶面位于预先标定出的传感器共轭位置。

本实施方式设置了侧路监测单元和测距模块7分别对实验靶9进行粗定位和精确定位，实验靶9位置确定后，再利用靶点监测单元和主激光束监测单元，对靶点和焦斑实时监测完成主激光器出射焦斑和实验靶9靶点的对准，则可进行束靶耦合。

本实施方式的侧路监测单元包括侧路成像物镜4、侧路监测CCD5和侧路调焦平台6；

侧路成像物镜4、侧路监测CCD5、侧路调焦平台6位于实验靶侧向，侧路成像物镜4与侧路监测CCD5由侧路调焦平台6承载，侧路调焦平台6运动方向与侧路成像物镜4光轴方向一致。侧路成像物镜4前端到实验靶侧面的距离等于侧路成像物镜4的工作距。

侧路成像物镜4自带的同轴照明光源为实验靶9侧面提供照明，通过侧路成像物镜4对实验靶9侧面进行成像，由侧路监测CCD5采集图像，对实验靶9进行靶高位置粗定位。

侧路调焦平台6对侧路成像物镜4和侧路监测CCD5进行调焦，以适应不同尺寸实验靶。

本实施方式的测距模块7位于1号半反半透镜8上方，其光轴与1号半反半透镜8镜面呈45°角，测距模块7前端沿其光轴方向到1号半反半透镜8的距离与1号半反半透镜8到实验靶9的距离总和等于测距模块7的工作距。

测距模块7出射的测量光经1号半反半透镜8反射后到达实验靶9表面，精确测量靶面的位置，通过调焦平台14带动传感器主体运动，使靶面位于预先标定出的传感器共轭位置。

本实施方式的靶点监测单元包括靶面成像物镜2和靶面监测CCD 3；

靶面成像物镜2光轴与双面反射镜1反射面呈45°角。实验靶9位于靶点监测单元经双面反射镜1反射后90°转向的光轴上，实验靶9到双面反射镜1的距离与靶面成像物镜2前端到双面反射镜1的距离总和等于靶面成像物镜2的工作距。

靶面成像物镜2自带的同轴照明光源出射的照明光经双面反射镜1的内反射面反射后，透射过1号半反半透镜8，为实验靶9提供照明，靶面成像物镜2对实验靶进行6×放大成像，由靶面监测CCD3采集图像，监测实验靶9上的靶点位置。

本实施方式的主激光束监测单元包括椭球镜10、2号半反半透镜11、焦斑监测CCD12和相干探测器13；

椭球镜10的一个焦点与主激光束焦斑重合，与实验靶9上的靶点关于双面反射镜1的外反射面呈光学共轭关系，椭球镜10的长轴与主激光束光轴垂直。2号半反半透镜11位于椭球镜10与焦斑监测CCD12之间。焦斑监测CCD12像面的法线方向与椭球镜10的长轴方向呈7.18°，焦斑监测CCD12像面与椭球镜10的另一焦点重合。相干探测器13位于2号半反半透镜11反射光出光一侧，其像面与焦斑监测CCD12像面关于2号半反半透镜11的反射面呈光学共轭关系。

经双面反射镜1外反射面反射的主激光束入射至椭球镜10的角点处，椭球镜10对主激光束焦斑进行8×放大成像，放大的主激光束焦斑入射至2号半反半透镜11，经2号半反半透镜11透射部分的主激光束焦斑由焦斑监测CCD12采集，经2号半反半透镜11反射部分的主激光束焦斑由相干探测器13采集，用于获取主激光束合束时光束的相位差，当需要监测两束主激光合束状态时，不但要监测两束光的指向，还想监测两束光的同波面情况，即两束光的相位差；相干探测器13像面与焦斑监测CCD12像面关于2号半反半透镜11的反射面呈光学共轭关系。

焦斑监测CCD12的功能包括三方面：对束靶耦合时激光焦斑的位置、主激光束调焦时光束汇聚质量、主激光束汇聚时光束的指向进行监测。

双面反射镜1、靶面成像物镜2、靶面监测CCD3、侧路成像物镜4、侧路监测CCD5、侧路调焦平台6、测距模块7、1号半反半透镜8、实验靶9、椭球镜10、2号半反半透镜11、焦斑监测CCD12、相干探测器13共同组成束靶耦合传感器主体。

本实施方式还包括竖直转台15、六自由度定位平台16和竖直升降平台17；

竖直转台15位于调焦平台14下方，承载并带动调焦平台14及束靶耦合传感器主体旋转，其旋转轴方向为竖直方向。竖直转台15用于将束靶耦合传感器主体送入和退出靶室，以及在靶室内进行竖直方向调整。六自由度定位平台16位于竖直转台15与竖直升降平台17之间，上部工作平面与竖直转台15底部连接，下部底座平面与竖直升降平台17连接。六自由度定位平台16用于调整束靶耦合传感器主体在靶室中心的空间位姿。竖直升降平台17位于最下方，承载六自由度定位平台16、竖直转台15、调焦平台14及束靶耦合传感器主体，其运动方向为竖直方向。

通过竖直转台15带动传感器主体旋转，以适应不同方位角(θ角)入射主激光束的束靶耦合需求。竖直升降平台17用于将束靶耦合传感器送入和退出靶室，以及在靶室内进行大范围的竖直方向(Z向)调整。当打靶实验要求实验靶偏离靶室中心时，通过调整调焦平台14、竖直转台15、竖直升降平台17，可将束靶耦合位置调整至柱面坐标系内任一点P(ρ,θ,z)上，其中ρ为调焦平台14的调焦距离，θ为竖直转台15的旋转角度，z为竖直升降平台17竖直运动距离。

本实施方式还提供了超小F#激光束靶耦合传感器的束靶耦合方法，包括：

S1、将实验靶9固定，利用侧路监测单元监测实验靶9的靶面位置，通过调整调焦平台14带动传感器主体运动，使实验靶9的靶面位于预先标定出的传感器共轭位置，实现粗定位；

S2、利用测距模块7监测实验靶9的靶面位置，通过调整调焦平台14带动传感器主体运动，使实验靶9的靶面位于预先标定出的传感器共轭位置，实现精定位；

S3、确定靶点监测单元监测的靶点位置与主激光束监测单元监测的激光焦斑位置的换算关系；

S4、靶点监测单元监测实验靶9上的靶点位置A，并根据换算关系，获得该靶点位置对应在主激光束监测单元上激光焦斑的位置B；

本实施方式通过预先标定，获得靶面监测CCD3上靶点位置与焦斑监测CCD12上激光焦斑位置的换算关系；

S5、主激光器发射的主激光束入射至双面反射镜1的外反射面，并汇聚至主激光束监测单元，调整主激光器的正入射位置，直至主激光束监测单元监测到的激光焦斑的位置位于位置B处；

进行在线束靶耦合时，将设定的靶点位置带入换算关系式中，计算出焦斑监测CCD12上激光焦斑的理论位置，在将主激光束焦斑调整至该位置，完成束靶耦合；

S6、移走超小F#激光束靶耦合传感器，利用此时实验靶9和主激光器的正入射位置进行束靶耦合。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (10)

1.一种激光束靶耦合传感器，其特征在于，包括：

靶点监测单元、侧路监测单元、主激光束监测单元、双面反射镜、测距模块、1号半反半透镜和调焦平台；

靶点监测单元位于实验靶正向，靶点监测单元的出射光经双面反射镜的内反射面反射后对实验靶的正向照明，并对实验靶的靶面成像，监测实验靶上的靶点位置；

侧路监测单元位于实验靶侧向，侧路监测单元的出射光对实验靶的侧面照明，并对实验靶的侧面成像，用于确定实验靶的靶面位置；

1号半反半透镜位于实验靶和双面反射镜之间，测距模块位于1号半反半透镜的上方，测距模块出射的测量光经1号半反半透镜反射后到达实验靶表面，测距模块用于确定实验靶的靶面位置；

主激光束的焦斑与实验靶上靶点关于双面反射镜外反射面为光学共轭关系；

主激光束入射至双面反射镜的外反射面，经双面反射镜的外反射面反射后汇聚至主激光束监测单元，主激光束监测单元用于对束靶耦合时激光焦斑的位置、主激光束调焦时光束汇聚质量、主激光束汇聚时光束的指向进行监测；

靶点监测单元、侧路监测单元、主激光束监测单元、双面反射镜、测距模块、1号半反半透镜共同组成束靶耦合传感器主体；

束靶耦合传感器主体设置在调焦平台上，通过调焦平台带动传感器主体运动，使实验靶的靶面位于预先标定出的传感器共轭位置。

2.根据权利要求1所述的激光束靶耦合传感器，其特征在于，主激光束监测单元包括椭球镜、2号半反半透镜、焦斑监测CCD和相干探测器；

经双面反射镜外反射面反射的主激光束入射至椭球镜的角点处，椭球镜对主激光束焦斑进行放大，放大的主激光束焦斑入射至2号半反半透镜，经2号半反半透镜透射部分的主激光束焦斑由焦斑监测CCD采集，经2号半反半透镜反射部分的主激光束焦斑由相干探测器采集，用于获取主激光束合束时光束的相位差；

相干探测器像面与焦斑监测CCD像面关于2号半反半透镜的反射面呈光学共轭关系。

3.根据权利要求2所述的激光束靶耦合传感器，其特征在于，椭球镜的长轴与主激光束光轴垂直，焦斑监测CCD像面的法线方向与椭球镜的长轴方向呈7.18°，焦斑监测CCD像面与椭球镜的另一焦点重合，主激光束焦斑经椭球镜进行8倍放大成像。

4.根据权利要求1所述的激光束靶耦合传感器，其特征在于，靶点监测单元包括靶面成像物镜和靶面监测CCD；

靶面成像物镜自带的同轴照明光源入射至双面反射镜，经双面反射镜反射后透射过半反半透镜8，为实验靶提供照明；

靶面成像物镜对实验靶进行放大成像，并由靶面监测CCD3采集图像。

5.根据权利要求1所述的激光束靶耦合传感器，其特征在于，侧路监测单元包括侧路成像物镜和侧路监测CCD；

侧路成像物镜自带的同轴照明光源为实验靶侧面提供照明，通过侧路成像物镜对实验靶侧面进行成像，由侧路监测CCD采集图像，对实验靶进行靶高位置粗定位。

6.根据权利要求1所述的激光束靶耦合传感器，其特征在于，侧路监测单元还包括侧路调焦平台；

侧路成像物镜和侧路监测CCD设置在侧路调焦平台上，侧路调焦平台运动方向与侧路成像物镜光轴方向一致，对侧路成像物镜和侧路监测CCD进行调焦，以适应不同尺寸实验靶。

7.根据权利要求1所述的激光束靶耦合传感器，其特征在于，还包括竖直转台；调焦平台设置在竖直转台上，通过竖直转台带动传感器主体旋转。

8.根据权利要求1所述的激光束靶耦合传感器，其特征在于，还包括竖直升降平台，竖直转台设置在竖直升降平台上，用于将束靶耦合传感器主体送入和退出靶室，以及在靶室内进行竖直方向调整。

9.根据权利要求1所述的激光束靶耦合传感器，其特征在于，还包括六自由度定位平台，六自由度定位平台设置在竖直转台和竖直升降平台之间，用于调整束靶耦合传感器主体在靶室中心的空间位姿。

10.权利要求1所述的激光束靶耦合传感器的束靶耦合方法，其特征在于，包括：

S1、将实验靶固定，利用侧路监测单元监测实验靶的靶面位置，通过调整调焦平台带动传感器主体运动，使实验靶的靶面位于预先标定出的传感器共轭位置，实现粗定位；

S2、利用测距模块监测实验靶的靶面位置，通过调整调焦平台带动传感器主体运动，使实验靶的靶面位于预先标定出的传感器共轭位置，实现精定位；

S3、确定靶点监测单元监测的靶点位置与主激光束监测单元监测的激光焦斑位置的换算关系；

S4、靶点监测单元监测实验靶上的靶点位置A，并根据换算关系，获得该靶点位置对应在主激光束监测单元上激光焦斑的位置B；

S5、主激光器发射的主激光束入射至双面反射镜的外反射面，并汇聚至主激光束监测单元，调整主激光器的正入射位置，直至主激光束监测单元监测到的激光焦斑的位置位于位置B处；

S6、移走激光束靶耦合传感器，利用此时实验靶和主激光器的正入射位置进行束靶耦合。

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