CN114413794B - 大口径kdp晶体最佳相位匹配角测量***及其测量方法 - Google Patents

大口径kdp晶体最佳相位匹配角测量***及其测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大口径KDP晶体最佳相位匹配角测量***及其测量方法，包括依次设置的激光器、整形器、标准镜、凹透镜和CCD相机，激光器出射激光经整形器整形后垂直入射到凹透镜，从而产生从多个角度入射到待测KDP晶体表面的激光，CCD相机用于接收并记录由待测KDP晶体出射的激光；所述测量***还包括激光自准直仪、晶体自准直仪和图像处理模块，激光自准直仪用于对标准镜及激光器出射激光进行准直，晶体自准直仪用于准直待测KDP晶体，图像处理模块能够读取CCD相机获取的图像并计算出对应的相位匹配角。本发明能够实现KDP晶体相位匹配角度的精确测量，具有自动化程度高，操作方便，测量准确等优点。

Description

大口径KDP晶体最佳相位匹配角测量***及其测量方法
技术领域
本发明属于光学元件参数测量技术领域，具体涉及一种大口径KDP晶体最佳相位匹配角测量***及其测量方法。
背景技术
惯性约束聚变(Inertial confinement fusion，ICF)的技术构想发轫于二十世纪六十年代：用强激光轰击氘-氚(D-T target)热核燃料靶丸，在极短时间(如百万分之一秒)内产生高温和高压条件引发聚变反应。由于靶丸材料的惯性作用，聚变反应在靶丸爆散之前就已经发生，因此，被称为惯性约束聚变。这一研究具有科学和军事上的重大应用潜力，在核聚变技术研究、天体物理学和材料科学领域有不可替代的重要作用，几十年来一直受到世界大国的高度重视并投入了巨大国家资源进行研究。
为了提高在极端高温高压状态下靶点等离子体对激光的吸收利用效率，目前ICF装置会在激光光路的末端配置一套终端光学***(Final Optics Assembly,FOA)，通过其中包含的频率转换单元—通常采用磷酸二氢钾(Potassium Dihydrogen Phosphate,KDP，分子式KH2PO4)晶体实现对入射激光的倍频效应—将1053nm基频红外光转换成351nm三倍频紫外光。由于晶体会在谐波转化效率(351nm激光的能量)、波前状态(351nm激光的能量汇聚性)等几个方面对射向靶点的激光束产生重大影响，因此，是惯性约束聚变装置激光驱动器***中具有关键作用的核心功能单元。
KDP晶体的相位匹配角对实现能量转换效率有重大影响，因此，对KDP晶体的相位匹配角度的精确测量具有重要意义，然而，目前的测量方法普遍存在***复杂，计算冗长等问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种大口径KDP晶体最佳相位匹配角测量***，能够实现KDP晶体的相位匹配角度的精确测量。
为实现上述目的，本发明技术方案如下：
一种大口径KDP晶体最佳相位匹配角测量***，包括依次设置的激光器、整形器、标准镜、凹透镜和CCD相机，激光器出射激光经整形器整形后垂直入射到凹透镜，从而产生从多个角度入射到待测KDP晶体表面的激光，CCD相机用于接收并记录由待测KDP晶体出射的激光；所述测量***还包括激光自准直仪、晶体自准直仪和图像处理模块，激光自准直仪用于对标准镜及激光器出射激光进行准直，晶体自准直仪用于准直待测KDP晶体，图像处理模块能够读取CCD相机获取的图像并计算出对应的相位匹配角。
以上***借助凹透镜产生从多个角度入射到待测KDP晶体的激光，当各个角度的激光经过KDP晶体时，处于最佳相位匹配角的入射激光能量转换效率最高，由KDP晶体出射后的光亮度最大，当出射激光被CCD相机接收后，CCD相机上会呈现出明暗不同的光斑，通过图像处理模块找到最亮的光线的角度即可获得待测KDP晶体的最佳相位匹配角。
优选地，所述激光器和整形器之间设有第一光阑，整形器和标准镜之间依次设有反射镜、透反镜和角锥，所述激光器出射激光经反射镜反射到透反镜，由透反镜透射的激光经角锥反射后再通过透反镜反射到标准镜上，凹透镜位于激光经标准镜后的反射光路上，激光自准直仪设置在标准镜后端，在标准镜与激光自准直仪之间设有第二光阑，标准镜与透反镜之间设有第一挡光板。上述方案有助于测量***光路的布局，并方便对***进行自动化控制。
优选地，所述晶体自准直仪位于CCD相机后端，以方便对待测KDP晶体进行准直，在晶体自准直仪与CCD相机之间设有第二挡光板，在准直完成后对KDP晶体相位匹配角测量时，借助第二挡光板遮挡住晶体自准直仪，避免对测量光路产生影响。
优选地，所述CCD相机与待测KDP晶体之间设有衰减片，以衰减由待测KDP晶体出射激光的能量，保护CCD相机。
一种大口径KDP晶体最佳相位匹配角测量方法，采用上述大口径KDP晶体最佳相位匹配角测量***进行，包括以下步骤：
S1、标准镜准直，激光自准直仪设置为单目标测量模式，采集标准镜反射回的光斑，调整标准镜姿态，使返回光斑中心相对于激光自准直仪绝对参考点偏差在设定值范围内；
S2、激光准直，激光器开启并调节至小能量，将第一光阑、第二光阑以及第一挡光板移出光路，激光自准直仪采集激光光斑，调整激光器姿态，使激光光斑中心相对于激光自准直仪绝对参考点偏差在设定值范围内；
S3、晶体准直，将第一光阑、第二光阑移入光路，第二挡光板移出光路，晶体自准直仪设置为单目标测量模式，采集标准镜反射回的叉丝像，并以此为晶体准直绝对参考点，将第一挡光板移入光路，待测KDP晶体移动至粗准直位，晶体自准直仪采集待测KDP晶体反射回的叉丝像，调整待测KDP晶体姿态，使待测KDP晶体反射回的叉丝像相对于晶体准直偏差在设定值范围内，待测KDP晶体处于精准直位；
S4、晶体匹配角测量，第二挡光板移入光路，第一光阑、第二光阑移出光路，激光器开启，开始测量，图像处理模块获取CCD相机图像并计算出对应的相位匹配角；
S5、晶体多点测量，将待测KDP晶体和晶体自准直仪移动至另一点，重复步骤S1至S4，直至完成晶体多点匹配角测量。
上述方法，在分别对标准镜、激光器出射激光以及待测KDP晶体进行准直后，借助标准镜使激光光线垂直入射到凹透镜，由凹透镜产生多个角度入射到待测KDP晶体的激光，并通过图像处理模块获取CCD相机图像并计算出当前位置对应的最佳相位匹配角，再通过移动待测KDP晶体和晶体自准直仪，完成待测KDP晶体多点相位匹配角的测量。
优选地，步骤S4在完成晶体相位匹配角测量后，还包括以下步骤：
S41、晶体准直位复检，第一光阑、第二光阑移入光路，激光器关闭，第二挡光板移出光路，晶体自准直仪采集待测KDP晶体反射回的叉丝像，复检待测KDP晶体法线指向，合格进入下一步，否则返回步骤S3；
S42、激光指向复检，第二挡光板移入光路，激光器开启，激光自准直仪采集激光光斑，复检激光指向，合格进入下一步，否则返回步骤S2；
S43、标准镜指向复检，第一光阑、第二光阑、第一挡光板移入光路，关闭激光器，激光自准直仪采集标准镜返回光斑，复检标准镜法线指向，合格进入下一步，否则返回步骤S1。
优选地，所述图像处理模块计算相位匹配角的公式为：
L1tanθ+L tanα+L2tanβ＝d
sinθ＝nisinα
sinβ＝nosinα
其中，L为待测KDP晶体厚度，L1为凹透镜焦点到待测KDP晶体的距离，L2为待测KDP晶体到CCD相机的距离，θ为待测KDP晶体最佳相位匹配角，α为激光光线入射到待测KDP晶体的偏转角，β为激光光线由待测KDP晶体出射的偏转角，d为最亮点到CCD相机中心的距离，ni为待测KDP晶体o光折射率，no为待测KDP晶体e光折射率。
有益效果：
采用以上技术方案的大口径KDP晶体最佳相位匹配角测量***及其测量方法，能够实现KDP晶体相位匹配角度的精确测量，具有自动化程度高，操作方便，测量准确等优点。
附图说明
图1为本发明大口径KDP晶体最佳相位匹配角测量***的结构示意图；
图2为大口径KDP晶体最佳相位匹配角测量***的原理图；
图3为大口径KDP晶体最佳相位匹配角测量方法的数据处理原理图；
图4为大口径KDP晶体最佳相位匹配角测量方法的流程图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
如图1所示的大口径KDP晶体最佳相位匹配角测量***，包括依次设置的激光器10、整形器11、标准镜20、凹透镜30和CCD相机50、激光自准直仪60、晶体自准直仪70和图像处理模块，其中，激光器10和整形器11之间设有第一光阑12，整形器11和标准镜20之间依次设有反射镜13、透反镜14和角锥15，激光器10用于出射激光，整形器11用于对激光器10出射激光进行整形，激光自准直仪60用于准直标准镜以及激光器10出射激光，晶体自准直仪70用于对待测KDP晶体40进行准直。
激光器10出射激光经反射镜13反射到透反镜14，由透反镜14透射的激光经角锥15反射后再通过透反镜14反射到标准镜20上，凹透镜30位于激光经标准镜20后的反射光路上。
激光自准直仪60设置在标准镜20后端，在标准镜20与激光自准直仪60之间设有第二光阑21，依靠激光自准直仪60可以实现对标准镜20以及激光器10出射激光的准直，准直完成后，利用第二光阑21将激光自准直仪60与测量光路断开。
在标准镜20与透反镜13之间设有第一挡光板22，晶体自准直仪70位于CCD相机50后端，在晶体自准直仪70与CCD相机50之间设有第二挡光板71，待测KDP晶体40位于凹透镜30和CCD相机50之间，在待测KDP晶体40与CCD相机50还设有衰减片80，以保护CCD相机50。
图2示出了本发明大口径KDP晶体最佳相位匹配角测量***的测量原理，激光器10产生的激光经整形器11整形后，通过凹透镜30产生了发散的光束，这就相当于产生了从多个角度入射到待测KDP晶体40的激光，当各个角度的激光经过KDP晶体40时，处于最佳相位匹配角的入射激光能量转换效率最高，由待测KDP晶体40出射后的光亮度最大，当出射激光被CCD相机50接收后，CCD相机50上会呈现出明暗不同的光斑，找到最亮的光线的角度即可获得待测KDP晶体40的最佳相位匹配角。
如图3所示，找到最亮光线后，计算KDP晶体匹配角的公式为：
L1tanθ+Ltanα+L2tanβ＝d
sinθ＝nisinα
sinβ＝nosinα
式中，L为待测KDP晶体厚度，L1为凹透镜焦点到待测KDP晶体的距离，L2为待测KDP晶体到CCD相机的距离，θ为待测KDP晶体最佳相位匹配角，α为激光光线入射到待测KDP晶体的偏转角，β为激光光线由待测KDP晶体出射的偏转角，d为最亮点到CCD相机中心的距离，ni为待测KDP晶体o光折射率，no为待测KDP晶体e光折射率。
上述***中，借助集成控制模块总体控制激光器10、标准镜20、第一光阑12、第二光阑21、第一挡光板22、第二挡光板71、CCD相机50以及待测KDP晶体40的运动，依靠配套的控制软件控制光路自动准直，图形处理模块集成在该集成控制模块中。
请参照图4，基于上述***的大口径KDP晶体最佳相位匹配角测量方法，包括以下步骤：
S1、标准镜准直
激光自准直仪60设置为单目标测量模式，采集标准镜20反射回的光斑，调整标准镜20俯仰、偏摆姿态，使返回光斑中心相对于激光自准直仪60绝对参考点偏差在设定值范围内。
S2、激光准直
激光器开启并调节至小能量；
将第一光阑12、第二光阑21以及第一挡光板22移出光路；
激光自准直仪60采集激光光斑，调整激光器10偏摆及俯仰姿态，使激光光斑中心相对于激光自准直仪60绝对参考点偏差在设定值范围内。
S3、晶体准直
将第一光阑12、第二光阑21移入光路；
CCD相机50、第二挡光板71移出光路；
晶体自准直仪70设置为单目标测量模式，采集标准镜20反射回的叉丝像，并以此为晶体准直绝对参考点；
将第一挡光板22移入光路；
待测KDP晶体40移动至粗准直位，晶体自准直仪70采集待测KDP晶体40反射回的叉丝像，调整待测KDP晶体40偏摆、俯仰进行精准直，使待测KDP晶体40反射回的叉丝像相对于晶体准直偏差在设定值范围内，待测KDP晶体40处于精准直位。
S4、晶体匹配角测量
第二挡光板71移入光路；
第一光阑12、第二光阑21移出光路；
激光器10开启并调至大能量；
开始测量，图像处理模块获取CCD相机50图像计算出对应的相位匹配角。
S41、晶体准直位复检
第一光阑12、第二光阑21移入光路，激光器10关闭；
第二挡光板71移出光路；
晶体自准直仪70采集待测KDP晶体40反射回的叉丝像，复检待测KDP晶体40法线指向，合格进入下一步，否则返回步骤S3。
S42、激光指向复检
第二挡光板71移入光路；
第一挡光板22、第一光阑12、第二光阑21移出光路，激光器10开启调至小能量；
激光自准直仪60采集激光光斑，复检激光指向，合格进入下一步，否则返回步骤S2。
S43、标准镜指向复检
第一光阑12、第二光阑21、第一挡光板22移入光路，关闭激光器10；
激光自准直仪60采集标准镜返回光斑，复检标准镜法线指向，合格进入下一步，否则返回步骤S1。
S5、晶体多点测量，将待测KDP晶体40和晶体自准直仪70移动至另一点，重复步骤S1至S4，直至完成晶体多点匹配角测量。
最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种大口径KDP晶体最佳相位匹配角测量***，其特征在于：包括依次设置的激光器(10)、整形器(11)、标准镜(20)、凹透镜(30)和CCD相机(50)，激光器(10)出射激光经整形器(11)整形后垂直入射到凹透镜(30)，从而产生从多个角度入射到待测KDP晶体(40)表面的激光，CCD相机(50)用于接收并记录由待测KDP晶体(40)出射的激光；所述测量***还包括激光自准直仪(60)、晶体自准直仪(70)和图像处理模块，激光自准直仪(60)用于对标准镜(20)及激光器(10)出射激光进行准直，晶体自准直仪(70)用于准直待测KDP晶体(40)，图像处理模块能够读取CCD相机(50)获取的图像并计算出对应的相位匹配角；
所述激光器(10)和整形器(11)之间设有第一光阑(12)，整形器(11)和标准镜(20)之间依次设有反射镜(13)、透反镜(14)和角锥(15)，所述激光器(10)出射激光经反射镜(13)反射到透反镜(14)，由透反镜(14)透射的激光经角锥(15)反射后再通过透反镜(14)反射到标准镜(20)上，凹透镜(30)位于激光经标准镜(20)后的反射光路上，激光自准直仪(60)设置在标准镜(20)后端，在标准镜(20)与激光自准直仪(60)之间设有第二光阑(21)，标准镜(20)与透反镜(13)之间设有第一挡光板(22)。
2.根据权利要求1所述的大口径KDP晶体最佳相位匹配角测量***，其特征在于：所述晶体自准直仪(70)位于CCD相机(50)后端，在晶体自准直仪(70)与CCD相机(50)之间设有第二挡光板(71)。
3.根据权利要求1或2所述的大口径KDP晶体最佳相位匹配角测量***，其特征在于：所述CCD相机(50)与待测KDP晶体(40)之间设有衰减片(80)。
4.一种大口径KDP晶体最佳相位匹配角测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、标准镜准直，激光自准直仪(60)设置为单目标测量模式，采集标准镜(20)反射回的光斑，调整标准镜(20)姿态，使返回光斑中心相对于激光自准直仪(60)绝对参考点偏差在设定值范围内；
S2、激光准直，激光器开启并调节至小能量，将第一光阑(12)、第二光阑(21)以及第一挡光板(22)移出光路，激光自准直仪(60)采集激光光斑，调整激光器(10)姿态，使激光光斑中心相对于激光自准直仪(60)绝对参考点偏差在设定值范围内；
S3、晶体准直，将第一光阑(12)、第二光阑(21)移入光路，第二挡光板(71)移出光路，晶体自准直仪(70)设置为单目标测量模式，采集标准镜(20)反射回的叉丝像，并以此为晶体准直绝对参考点，将第一挡光板(22)移入光路，待测KDP晶体(40)移动至粗准直位，晶体自准直仪(70)采集待测KDP晶体(40)反射回的叉丝像，调整待测KDP晶体(40)姿态，使待测KDP晶体(40)反射回的叉丝像相对于晶体准直偏差在设定值范围内，待测KDP晶体(40)处于精准直位；
S4、晶体匹配角测量，第二挡光板(71)移入光路，第一光阑(12)、第二光阑(21)移出光路，激光器(10)开启，开始测量，图像处理模块获取CCD相机(50)图像并计算出对应的相位匹配角；
S5、晶体多点测量，将待测KDP晶体(40)和晶体自准直仪(70)移动至另一点，重复步骤S1至S4，直至完成晶体多点匹配角测量。
5.根据权利要求4所述的大口径KDP晶体最佳相位匹配角测量方法，其特征在于：步骤S4还包括以下步骤：
S41、晶体准直位复检，第一光阑(12)、第二光阑(21)移入光路，激光器(10)关闭，第二挡光板(71)移出光路，晶体自准直仪(70)采集待测KDP晶体(40)反射回的叉丝像，复检待测KDP晶体(40)法线指向，合格进入下一步，否则返回步骤S3；
S42、激光指向复检，第二挡光板(71)移入光路，激光器(10)开启，激光自准直仪(60)采集激光光斑，复检激光指向，合格进入下一步，否则返回步骤S2；
S43、标准镜指向复检，第一光阑(12)、第二光阑(21)、第一挡光板(22)移入光路，关闭激光器(10)，激光自准直仪(60)采集标准镜返回光斑，复检标准镜法线指向，合格进入下一步，否则返回步骤S1。
6.根据权利要求4所述的大口径KDP晶体最佳相位匹配角测量方法，其特征在于：所述图像处理模块计算相位匹配角的公式为：
L1tanθ+Ltanα+L2tanβ＝d
sinθ＝nisinα
sinβ＝nosinα
其中，L为待测KDP晶体厚度，L1为凹透镜焦点到待测KDP晶体的距离，L2为待测KDP晶体到CCD相机的距离，θ为待测KDP晶体最佳相位匹配角，α为激光光线入射到待测KDP晶体的偏转角，β为激光光线由待测KDP晶体出射的偏转角，d为最亮点到CCD相机中心的距离，ni为待测KDP晶体o光折射率，no为待测KDP晶体e光折射率。
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