一種單光束動(dòng)態(tài)聚焦方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于激光設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)涉及一種單光束動(dòng)態(tài)聚焦方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在激光慣性約束聚變的直接驅(qū)動(dòng)方式中，激光直接輻照在靶丸上，靶丸在內(nèi)爆過(guò) 程中不斷壓縮變小，激光束初始形成的焦斑與壓縮后的靶丸不再匹配，能量從靶丸邊緣流 失。此外，在直接驅(qū)動(dòng)中，靶丸上焦斑的交叉重疊會(huì)激發(fā)離子聲波，使得光束能量通過(guò)離子 聲波從當(dāng)前束轉(zhuǎn)移到鄰近束，破壞內(nèi)爆對(duì)稱(chēng)性。
[0003] -般來(lái)說(shuō)，不同的靶設(shè)計(jì)對(duì)焦斑尺寸的要求是不同的。例如，NIF裝置（國(guó)家點(diǎn)火裝 置)采用的靶丸直徑約2018μπι，壓縮過(guò)程的焦斑直徑約171 Ομπι，而點(diǎn)火的焦斑直徑約800μπι， 焦斑尺寸在壓縮過(guò)程中需減小約53%;羅徹斯特大學(xué)Omega釹玻璃激光裝置采用的靶丸直 徑約930μπι，壓縮過(guò)程的焦斑直徑約700μπι，點(diǎn)火采用長(zhǎng)短軸直徑分別為288μπι與212μπι的橢 圓焦斑，焦斑尺寸需減小約64%。一般來(lái)說(shuō)，在靶丸輻照初期，焦斑直徑約為靶丸直徑的0.9 倍，具有較好的輻照均勻性，隨著壓縮過(guò)程產(chǎn)生等離子體，焦斑直徑約為靶丸直徑的0.7~ 〇. 5倍，具有較高的吸收效率且滿(mǎn)足輻照均勻性要求。
[0004] 目前，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)聚焦的方法均是采用組束的方式。激光裝置將一個(gè)集束分為多束 光，每束光有各自的激光脈沖和焦斑形態(tài)，在靶丸壓縮過(guò)程中隨時(shí)間打開(kāi)或關(guān)閉每束光，逐 步減小焦斑尺寸，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)聚焦。然而，組束動(dòng)態(tài)聚焦為了實(shí)現(xiàn)與單脈沖壓縮相似的效果， 必須要對(duì)不同時(shí)刻出射的脈沖光束進(jìn)行精密的時(shí)間控制。另外，組束動(dòng)態(tài)聚焦是由各個(gè)很 短的子脈沖在時(shí)間上拼接而成，而裝置放大器在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)能量的提取效率有限，短脈 沖放大將大大降低裝置的輸出能力。因此，在靶丸壓縮過(guò)程中逐漸減小焦斑尺寸，即實(shí)現(xiàn)動(dòng) 態(tài)聚焦，對(duì)提高流體力學(xué)穩(wěn)定性和束靶耦合效率具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的種種不足，為了解決上述問(wèn)題，現(xiàn)提出一種所需光學(xué)元件少、實(shí)現(xiàn) 功能多、易于操作、可實(shí)現(xiàn)化程度高、不存在短脈沖放大飽和降低激光系統(tǒng)輸出能力的單光 束動(dòng)態(tài)聚焦方法。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：
[0007] -種單光束動(dòng)態(tài)聚焦方法，包括由激光源發(fā)射激光脈沖，所述激光脈沖經(jīng)過(guò)全息 光柵聚焦到靶丸，所述激光脈沖的波長(zhǎng)呈增大趨勢(shì)變化，且所述波長(zhǎng)的變化范圍與靶丸壓 縮變化過(guò)程中焦斑尺寸變化匹配。
[0008] 進(jìn)一步，所述激光源與全息光柵設(shè)置為同光軸結(jié)構(gòu)，所述激光脈沖的波長(zhǎng)為λ，所 述增大到λ2，且0.5nm < λζ-λχ < 1.5nm。
[0009] 進(jìn)一步，所述激光源處設(shè)置位相調(diào)制器，所述靶丸的壓縮變化時(shí)間為n，則所述位 相調(diào)制器對(duì)波長(zhǎng)的調(diào)制頻率為
[0010]進(jìn)一步，所述全息光柵的制作過(guò)程包括以下步驟：
[0011] (1)選用熔石英作為基底，在基底上均勻涂上光刻膠；
[0012] ⑵采用波長(zhǎng)均為λ〇的平行光和點(diǎn)光源在光刻膠表面干涉，且λ〇為所述激光脈沖的 中心波長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)顯影刻蝕操作，完成全息光柵的記錄過(guò)程，且h λ2 ;
[0013] (3)將波長(zhǎng)為λ的激光脈沖從全息光柵的背面入射，當(dāng)λ = λ〇時(shí)，在所述點(diǎn)光源位置 出現(xiàn)與其相同的像點(diǎn)，當(dāng)λ矣λ〇時(shí)，所述激光脈沖在不同的焦距處聚焦成像點(diǎn)，且
,其中，fo為所述點(diǎn)光源與全息光柵中心的距離，其與激光脈沖的光束口徑、光 束空間排布匹配，f為激光脈沖的像點(diǎn)與全息光柵中心的距離。
[0014] 進(jìn)一步，所述點(diǎn)光源設(shè)置為離軸結(jié)構(gòu)，其離軸角度Θ為10-20°。
[0015] 進(jìn)一步，當(dāng)λ = λ.，波長(zhǎng)為\:的激光脈沖的像點(diǎn)與全息光柵中心的距離為心，則
;當(dāng)\ = \2時(shí)，波長(zhǎng)為\2的激光脈沖的像點(diǎn)與全息光柵中心的距離為f2,則
，則激光脈沖的波長(zhǎng)從心增大到λ2產(chǎn)生的相對(duì)變焦量△ f為：
[0017]進(jìn)一步，所述波長(zhǎng)為λ的激光脈沖在靶丸形成的焦斑尺寸為d，其在焦點(diǎn)形成的焦 斑尺寸為，所述d與的關(guān)系表達(dá)式為：

[0020] 根據(jù)靶丸壓縮變化過(guò)程中對(duì)焦斑尺寸的變化要求，求得λ，其中，D為全息光柵的有 效通光口徑。
[0021] 進(jìn)一步，所述激光脈沖的波長(zhǎng)從λ:增大到λ2產(chǎn)生的理論最大波前變化為Δ L，則
[0022] 進(jìn)一步，沿著激光脈沖的傳輸方向，所述全息光柵的一側(cè)設(shè)置有波前探測(cè)器，所述 波前探測(cè)器與全息光柵中心的距離為S，且S = f2,所述波前探測(cè)器對(duì)焦斑的實(shí)際波前變化 進(jìn)行測(cè)量。
[0023]進(jìn)一步，所述實(shí)際波前變化的最大值為L(zhǎng)，將L與Δ L進(jìn)行對(duì)比，若Δ L_0.02ym < L < Δ L+0.02μπι，說(shuō)明焦斑的實(shí)際波前變化與理論波前變化一致，靶丸處焦斑實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)聚焦，并 且所述焦斑的動(dòng)態(tài)聚焦過(guò)程與靶丸壓縮變化過(guò)程匹配。
[0024] 本發(fā)明的有益效果是：
[0025] 1、本發(fā)明中激光脈沖通過(guò)全息光柵聚焦到靶丸上，全息光柵對(duì)激光脈沖可以同時(shí) 實(shí)現(xiàn)聚焦、色分離和動(dòng)態(tài)聚焦的功能，所需光學(xué)元件少，實(shí)現(xiàn)功能多。
[0026] 2、本發(fā)明中激光脈沖的波長(zhǎng)由短變長(zhǎng)，促使焦斑的尺寸隨著波長(zhǎng)變化而減小，與 傳統(tǒng)的組束動(dòng)態(tài)聚焦方法相比，本發(fā)明產(chǎn)生不同尺寸焦斑的數(shù)量更多，焦斑的變化過(guò)程與 靶丸壓縮變化過(guò)程更加匹配。
[0027] 3、本方法采用單光束動(dòng)態(tài)聚焦，避免了組束動(dòng)態(tài)聚焦對(duì)各子脈沖精密的時(shí)間控制 問(wèn)題，具有易于操作、可實(shí)現(xiàn)化程度高的特點(diǎn)。
[0028] 4、本發(fā)明中激光脈沖不是由子脈沖拼接而成，不存在短脈沖放大飽和降低激光系 統(tǒng)輸出能力的問(wèn)題。
【附圖說(shuō)明】
[0029] 圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例中，實(shí)際波前變化與波長(zhǎng)的關(guān)系圖一；
[0031]圖3為本發(fā)明實(shí)施例中，實(shí)際波前變化與波長(zhǎng)的關(guān)系圖二；
[0032] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例中，實(shí)際波前變化與波長(zhǎng)的關(guān)系圖三；
[0033] 其中，圖2-4中的橫坐標(biāo)表示波長(zhǎng)，單位為nm，其縱坐標(biāo)表示波前峰谷值，單位為μ m〇
[0034] 附圖中：激光源1、透鏡2、全息光柵3、波前探測(cè)器4、激光脈沖5、位相調(diào)制器6。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 為了使本領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合本發(fā)明的附圖，對(duì) 本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述，基于本申請(qǐng)中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在 沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的其它類(lèi)同實(shí)施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本申請(qǐng)保護(hù)的范圍。
[0036] 實(shí)施例一：
[0037] 如圖1所示，一種單光束動(dòng)態(tài)聚焦方法，包括由激光源1發(fā)射激光脈沖5,所述激光 脈沖5經(jīng)過(guò)透鏡2擴(kuò)束成平行光，通過(guò)全息光柵3將平行光聚焦到靶丸，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)聚焦過(guò)程， 所述激光源1、透鏡2和全息光柵3設(shè)置為同光軸結(jié)構(gòu)，采用單光束動(dòng)態(tài)聚焦，避免了組束動(dòng) 態(tài)聚焦對(duì)各子脈沖精密的時(shí)間控制問(wèn)題，易于操作，可實(shí)現(xiàn)化程度高，同時(shí)，激光脈沖5不是 由子脈沖拼接而成，不存在短脈沖放大飽和降低激光系統(tǒng)輸出能力的問(wèn)題。
[0038] 所述激光脈沖5的波長(zhǎng)呈增大趨勢(shì)變化，所述激光脈沖5的波長(zhǎng)為λ，所述λ由入:增 大到λ2,且0.5nm < < 1.5nm，且所述波長(zhǎng)的變化范圍與靶丸壓縮變化過(guò)程中焦斑尺寸 變化匹配。
[0039] 所述激光源1處設(shè)置位相調(diào)制器6,對(duì)激光脈沖5進(jìn)行展，所述靶丸的壓縮變化時(shí)間 為n，則所述位相調(diào)制器6對(duì)波長(zhǎng)的調(diào)制頻率為
[0040] 所述全息光柵3的制作過(guò)程包括以下步驟：
[0041 ] (1)選用熔石英作為基底，在基底上均勻涂上光刻膠；
[0042] (2)采用波長(zhǎng)均為λ〇的平行光和點(diǎn)光源在光刻膠表面干涉，且λ〇為激光脈沖5的中 心波長(zhǎng)，所述中心波長(zhǎng)為波長(zhǎng)范圍內(nèi)能級(jí)最大的波長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)顯影刻蝕操作，完成全息光柵3 的記錄過(guò)程，且λ? < λ〇 <入2 ;
[0043] (3)將波長(zhǎng)為λ的激光脈沖5從全息光柵3的背面入射，當(dāng)λ = λ〇時(shí)，在所述點(diǎn)光源位 置出現(xiàn)與其相同的像點(diǎn)，當(dāng)λ矣λ〇時(shí)，所述激光脈沖5在不同的焦距處聚焦成像點(diǎn)，且
其中，f〇為所述點(diǎn)光源與全息光柵中