CN115332933A - 基于多光束相干叠加的高功率激光装置 - Google Patents

基于多光束相干叠加的高功率激光装置 Download PDF

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唐顺兴
郭亚晶
姜秀青
宗楠
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    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
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Abstract

一种基于多光束相干叠加的高功率激光装置，包括基频束组、谐波转换器组、基频采样镜和相位检测控制***；所述的基频束组，包括N束子束、以及对应各子束的N个相位调节器；所述的谐波转换器组，由N个谐波转换器构成；每个子束入射到各自对应的谐波转换器，换为谐波后，剩余基频光经所述的基频采样镜采样后进入所述的相位检测控制***，该相位检测控制***选取基频束组中任意子束的相位作为参考子束，检测其它子束与该参考子束的相位差，并调节该子束对应的相位调节器，直至该子束与参考子束的相位差至2π。本发明通过子束的相干叠加实现谐波相干叠加，达到大口径激光谐波打靶相当的效果。

Description

基于多光束相干叠加的高功率激光装置
技术领域
本发明属于高功率激光装置，特别是需要多束较小光束相干叠加实现等效大口径光束的高功率激光装置；本发明涉及多光束激光谐波相干叠加。
背景技术
高功率脉冲激光致力于在实验室环境创造极端物体条件，可用于高能密度物理研究、聚变能研究等。为了在靶点获得较大的功率密度，一般高功率激光装置的光束口径在数百毫米以上；为了提高光束与靶的耦合效率，一般通过谐波转换(波长变换技术)获得较短波长的三倍频光打靶，但是光学元件工作在三倍频波段时更容易被损伤。为了解决这个问题，一般从光束质量和元件损伤阈值两个方面进行性能提升。
光束质量的下降在大口径高功率激光***中几乎无法避免，主要原因是大口径光学元件难于加工，大口径高效谐波转换材料由于几乎只能选择磷酸二氢钾(KDP)晶体或参氘磷酸二氢钾(DKDP)晶体，透过波前极难控制。受限于以上因素，几乎无法通过进一步增大光束口径和增加装置规模来实现更高的聚焦功率密度，因此只能寻求提高光束质量来解决该问题。光束不均匀性是导致元器件损伤的主要因素，如果能大幅改善光束空间均匀性，将大幅提高装置输出能力。(K.R.Manes,et.al..Damage Mechanisms Avoided or Managedfor NIF Large Optics,Fusion Science and Technology,69:1,146-249,DOI:10.13182/FST15-139)。
为了避免类似的材料及元器件损伤问题，超强超短激光技术领域的科研人员探索通过相干叠加来获取峰值功率超强的激光。例如一种基于拼接锁定和远场的超短脉冲激光相干合束方法(CN106856293)，提供了一种基于拼接锁定和远场的超短脉冲激光相干合束方法，高重频飞秒激光源分束后经过不同的光路链传输，最后经取样模块及聚焦模块在焦点处实现子光束间的相干增强叠加。又例如，双注入OPCPA相干组束超高功率激光***(CN105790061)将相干组束方法与双注入式OPCPA混合式超高功率飞秒激光***相结合，最终实现数PW乃至EW级的超高功率激光输出。超强超短脉冲主要用基频光束进行打靶，不能解决需要谐波转换的纳秒时间宽度的高功率激光***相干叠加的问题。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术，提出一种基于多光束相干叠加的高功率激光装置，利用子束的相干叠加，间接实现谐波转换后光束的相干叠加。本发明可通过多束小光束达到大口径激光谐波打靶相当的效果。
为实现上述目标，本发明的技术解决方案如下：
一种基于多光束相干叠加的高功率激光装置，其特点在于，包括基频束组、谐波转换器组、基频采样镜和相位检测控制***；所述的基频束组，包括N束子束、以及对应各子束的N个相位调节器；所述的谐波转换器组，由N个谐波转换器构成；每个子束入射到各自对应的谐波转换器，换为谐波后，剩余基频光经所述的基频采样镜采样后进入所述的相位检测控制***，该相位检测控制***选取基频束组中任意子束的相位作为参考子束，检测其它子束与该参考子束的相位差，并调节该子束对应的相位调节器，直至该子束与参考子束的相位差至2π。
所述N束子束在入射所述谐波转换器时为准直光束，且各子束空间上无重叠，时域光谱特性一致，平均激光通量密度一致，经所述谐波转换器转换为谐波后，剩余基频光子束到达所述基频采样镜前任一与光轴垂直的光束截面的时刻一致。所述的N束子束的初始相位相等。
所述的谐波转换器由一块或者多块谐波转换晶体及相应装调机构组成，用于将所述基频束组频率转换为倍频、三倍频或其它倍数的谐波。
所述的谐波转换器的有效通光口径支持对应子束的通过，且不影响对应子束之外的其它子束传输。
所述的基频采样镜的尺寸允许各子束谐波转换后剩余的基频全口径采样，允许各子束谐波传向下游光学元件。
本发明的技术效果如下：
1)由于小口径激光束光束质量可提升到较高水平，高质量小口径谐波转换晶体也更易获取，通过子束的相干叠加实现谐波相干叠加，达到大口径激光谐波打靶相当的效果。
2)利用较易获取的小口径材料和元器件构建的多束高质量的子束，通过子束的相干叠加，达到大口径激光谐波打靶相当的效果。
3)与现有大口径高功率激光***方案相比，基频光束不再采用大口径光学元件，谐波转换也不需要大口径晶体材料，支持装置更高通量密度激光输出能力。
附图说明
图1是本发明基于多光束相干叠加的高功率激光装置的实施例1示意图；
图2是本发明基于多光束相干叠加的高功率激光装置的实施例2示意图；
图3是本发明基于多光束相干叠加的高功率激光装置谐波相干叠加原理示意图；
图中，1-基频束组；2-谐波转换器组；3-基频采样镜；4-相位检测控制***；5-光束截面；101P-第1子束相位调节器；10NP-第N子束相位调节器；101-第1子束；10N-第N子束；201-第1谐波转换器；20N-第N谐波转换器。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1：
图1是本发明基于多光束相干叠加的高功率激光装置的实施例1示意图，由图可见，一种基于多光束相干叠加的高功率激光装置包括基频束组1，谐波转换器组2、基频采样镜3和相位检测控制***4。所述基频束组1包含数量为N(N>1)的子束，分别为第i子束10i，其中i＝1，2……N(下同)，第i子束包括第i相位调节器10iP。所述第i子束10i入射到对应的第i谐波转换器20i，换为谐波后，剩余基频光经所述基频采样镜3透射采样后进入相位检测控制***4，谐波经所述基频采样镜3反射后继续传输。相位检测控制***4选取基频束组1中任意子束相位作为参考子束，本实施例中采用第1子束101为参考子束，检测出所述第i子束10i(i＝2，……N)与所述第1小口径子束101相位差，调节第i子束的相位调节器10iP直至第i子束与第1子束101的相位差至2π的整数倍。
所述基频束组1内各子束之间空间上无重叠；子束的时域光谱特性基本一致；子束平均激光通量密度基本一致；子束到达所述基频采样镜前某一光束截面内的时刻一致。
所述第i子束10i在入射所述第i谐波转换器20i时为准直光束。
所述第i相位调节器10iP由一个或多个相位调节模块构成；第1子束可以没有相位调节器。
所述谐波转换器组2由N个谐波转换器组成，所述第i谐波转换器20i由一块或者多块谐波转换晶体及相应装调机构组成，将所述第i子束10i频率转换为倍频、三倍频或其它倍数的谐波；第i谐波转换器20i有效通光口径支持第i子束通过，且不影响第i子束之外的其它子束传输。
所述基频采样镜3为单口镜光学元件，尺寸允许各子束谐波转换后剩余基频全口径透射采样，允许各子束谐波反射传向下游光学元件。
所述相位检测控制***4可同时或者分时检测第i子束相对第1子束201的相位差；所述相位检测控制***4可同时或者分时控制第i相位调节器10iP。
以下将以二次谐波转换(倍频)为例，说明本装置的工作原理，如图3所示。
考察在采样镜前某个光束截面5上的光场分布，假设光束为单色平面波，所述第i子束10i在该面上的基频光场E1,i(0,t)表示为：
Figure BDA0003799955350000041
其中，a1,i为所述第i子束10i的基频振幅，ω为基频角频率，t为时间，
Figure BDA0003799955350000042
为所述第i子束10i的基频初始相位。
要在所述光束截面5上实现所有子束相干叠加，且等效为大口径平面波，要求各子束的初始相相位等，即：
Figure BDA0003799955350000043
所述第i子束10i的基频从所述光束截面5传输至晶体后表面，其光场E1,i(li,t)为：
Figure BDA0003799955350000044
其中k1为基频光束的波矢，li为所述第i子束10i从所述光束截面5传输至晶体后表面的距离。对于倍频过程，晶体中二阶极化强度P(2)可表示为：
Figure BDA0003799955350000045
其中E1为基频光场，ε0为真空中介电常数，χ(2)为晶体二阶极化率。
倍频过程中，从晶体前表面至晶体后表面基频和倍频光束满足相位匹配条件。因此只需考察晶体后表面的二阶极化强度，将公式3带入公式4，得：
Figure BDA0003799955350000051
其中k2为倍频光束的波矢。该极化项表示晶体中存在频率为2ω的的震荡电偶极矩，它的辐射场即为倍频光场E2,i(li,t)，可表示为：
Figure BDA0003799955350000052
其中，A‘2,i是所述第i子束10i在晶体后表面的倍频振幅，
Figure BDA0003799955350000053
为与晶体材料介电系数χ有关的常数。
从晶体后表面传输至所述光束截面5的光场E2,i(0,t)可表示为：
Figure BDA0003799955350000054
其中，A2,i为所述第i子束10i在所述光束截面5的倍频振幅，
Figure BDA0003799955350000055
为所述第i子束10i的倍频初始相位。由公式7可得：
Figure BDA0003799955350000056
公式8表明，所有子束在所述光束截面5上的倍频光场初始相位相等，因此，所有子束在所述光束截面5上的倍频光场可等同于单口径光束继续向前传输，达到倍频相干叠加的效果。
依此理论类推，本发明可实现所有子束三次或高次谐波相干叠加的效果。
实施例2：
图2是本发明基于多光束相干叠加的高功率激光装置的实施例2示意图，由图可见，一种基于多光束相干叠加的高功率激光装置，包括基频束组1，谐波转换器组2，基频采样镜3，相位检测控制***4。所述基频束组1包含数量为N(N>1)的子束，分别为第i子束10i，其中i＝1，2……N(下同)，第i子束包括第i相位调节器10iP。所述第i子束10i入射到对应的第i谐波转换器20i，换为谐波后，剩余基频光经所述基频采样镜3反射采样后进入相位检测控制***4，谐波经所述基频采样镜3透射后继续传输。相位检测控制***4选取基频束组1中任意子束相位作为参考子束，本实施例采用第1子束201为参考子束，检测出所述第i子束20i(i＝2，……N)与所述第1小口径子束201相位差，调节第i子束的相位调节器10iP直至第i子束与第1子束201的相位差至2π的整数倍。
所述基频束组1内各子束之间空间上无重叠；子束的时域光谱特性基本一致；子束平均激光通量密度基本一致；子束到达所述基频采样镜前某一光束截面内的时刻一致。
所述第i子束10i在入射所述第i谐波转换器20i时为准直光束。
所述第i相位调节器10iP由一个或多个相位调节模块构成；第1子束可以没有相位调节器。
所述谐波转换器组2由数量为N的谐波转换器组成，所述第i谐波转换器20i由一块或者多块谐波转换晶体及相应装调机构组成，将所述第i子束10i频率转换为倍频、三倍频或其它倍数的谐波；第i谐波转换器20i有效通光口径支持第i子束通过，且不影响第i子束之外的其它子束传输。
所述基频采样镜3为单口镜光学元件，尺寸允许各子束谐波转换后剩余基频全口径反射采样，允许各子束谐波透射传向下游光学元件。
所述相位检测控制***4可同时或者分时检测第i子束相对第1子束201的相位差；所述相位检测控制***4可同时或者分时控制第i相位调节器10iP。

Claims (6)

1.一种基于多光束相干叠加的高功率激光装置，其特征在于，包括基频束组、谐波转换器组、基频采样镜和相位检测控制***；所述的基频束组，包括N束子束、以及对应各子束的N个相位调节器；所述的谐波转换器组，由N个谐波转换器构成；每个子束入射到各自对应的谐波转换器，换为谐波后，剩余基频光经所述的基频采样镜采样后进入所述的相位检测控制***，该相位检测控制***选取基频束组中任意子束的相位作为参考子束，检测其它子束与该参考子束的相位差，并调节该子束对应的相位调节器，直至该子束与参考子束的相位差至2π。
2.根据权利要求1基于多光束相干叠加的高功率激光装置，其特征在于，所述N束子束在入射所述谐波转换器时为准直光束，且各子束空间上无重叠，时域光谱特性一致，平均激光通量密度一致，经所述谐波转换器转换为谐波后，剩余基频光子束到达所述基频采样镜前任一与光轴垂直的光束截面的时刻一致。
3.根据权利要求1或2基于多光束相干叠加的高功率激光装置，其特征在于，所述的N束子束的初始相位相等。
4.根据权利要求1基于多光束相干叠加的高功率激光装置，其特征在于，所述的谐波转换器由一块或者多块谐波转换晶体及相应装调机构组成，用于将所述基频束组频率转换为倍频、三倍频或其它倍数的谐波。
5.根据权利要求3基于多光束相干叠加的高功率激光装置，其特征在于，所述的谐波转换器的有效通光口径支持对应子束的通过，且不影响对应子束之外的其它子束传输。
6.根据权利要求1基于多光束相干叠加的高功率激光装置，其特征在于，所述的基频采样镜的尺寸允许各子束谐波转换后剩余的基频全口径采样，允许各子束谐波传向下游光学元件。
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