專利名稱：用于啁啾脈沖放大的自準直凹面調(diào)制光譜調(diào)制整形裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于激光脈沖放大(CPA)系統(tǒng)的光譜調(diào)制整形裝置，特別涉及一種用于大 能量高功率激光啁啾脈沖放大系統(tǒng)的自準直凹面調(diào)制光譜調(diào)制整形裝置，屬于工程光學(xué)應(yīng)用 技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景在超短超強高功率激光技術(shù)中，許多因素限制了激光系統(tǒng)輸出功率的進一步提高，其中 固體激光介質(zhì)的增益窄化和增益飽和效應(yīng)是一個較為棘手的問題。增益窄化效應(yīng)是由于放大 介質(zhì)原子發(fā)射線有限寬，由于頻率牽引效應(yīng)，從而使輸出脈沖的頻譜變窄，這不但會導(dǎo)致脈 沖波形的畸變，而且還會使脈沖很難壓回到原來的寬度。而增益飽和效應(yīng)是導(dǎo)致啁啾脈沖產(chǎn) 生畸變的另一個重要原因，它是由于脈沖前沿消耗了放大介質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，導(dǎo)致放大脈沖 前沿的光強放大倍數(shù)大于后沿的光強放大倍數(shù)，從而使放大脈沖的波形前后沿不對稱，因此 使放大脈沖得不到有效的放大，并使脈沖的頻譜產(chǎn)生紅移，引起脈沖畸變。在實際工作中， 為了補償CPA過程中產(chǎn)生的增益窄化和增益飽和效應(yīng)以及提高高功率激光輸出脈沖信噪比 (SNR)參數(shù)，需要利用光譜整形裝置使放大前的脈沖光譜分布的中心波長附近出現(xiàn)一定形狀和 大小的凹陷。在慣性約束核聚變(ICF)研究中，其物理實驗對高功率激光輸出的脈沖參數(shù)要求 非常苛刻，而且在神光II千焦拍瓦高功率放大系統(tǒng)設(shè)計中，人們更加關(guān)心調(diào)制其相應(yīng)的脈沖 時空特性和光譜特性，其中對啁啾脈沖進行光譜調(diào)制和光譜整形，目的主要是盡量消除CPA 過程中增益窄化效益和增益飽和效應(yīng)的影響，同時力圖提高高功率激光光束輸出的SNR參數(shù)。 如文獻[楚曉亮，張彬，蔡邦維等，"啁啾脈沖多程放大及其逆問題的研究"，《物理學(xué)報》， 54(10)， 2005， 10， 4696-4701];[張彬，呂百達，"多級和多程脈沖激光放大器的逆問題"， 《中國激光》，1997， 24(6)， 495-500];[王韜，范滇元，"高功率激光放大器脈沖的整形設(shè) 計"，《強激光與粒子數(shù)》，1999， 11(2)， 139-142];[黃小軍，魏曉峰，彭翰生等，"百太瓦 級超短脈沖激光裝置研制"，2004'四川光電子學(xué)會議。]同樣由上述文獻還可知國際通用方法中使用的光譜整形裝置主要存在以下缺點1、在再 生放大器中加入可調(diào)諧空氣隙標準具來調(diào)整光譜的裝置，但這種調(diào)整較復(fù)雜，而且在神光n 千焦拍瓦高功率放大系統(tǒng)中用光參量啁啾脈沖放大技術(shù)(OPCPA)替代了再生放大器，因而不適 用。2、使信號光源中心波長藍移，即相對于增益介質(zhì)中心波長藍移，并且使長波長方向有較長的脈沖沿，直接調(diào)整光譜的裝置。但是這種裝置對超過太瓦級(1012)的系統(tǒng)不實用。3、長 波長注入法，使增益窄化效益來補償飽和效應(yīng)的影響的裝置，但這種裝置又影響到系統(tǒng)的穩(wěn) 定性。4、采用可編程聲光色散濾波器(AOPDF)的裝置，雖然能提供較大的增益補償能力和較 大的色散補償范圍。如中國工程物理研究院在國內(nèi)首次引進A0PDF，并成功用于星光百太瓦 裝置。但是這種裝置的A0PDF的色分辨率僅能用于鈦寶石這樣的寬帶啁啾脈沖系統(tǒng)，對于釹 玻璃系統(tǒng)不適用。同時注意到在大能量高功率條件下，透射介質(zhì)如濾光片和雙折射晶體，或有機選擇元件 如鉸鏈型有機聚合物調(diào)制均不適用，如文獻所述[朱鵬飛，楊鏡新，薛紹林，李美榮，林尊 琪，"超短脈沖的光譜整形"，中國激光，30(12)，2003, 1075:1078];[冷雨欣；林禮煌；徐至 展，"摻鈦藍寶石再生放大器的光譜整形"，光學(xué)學(xué)報，22(2)， 2002' 170: 174];以及專利 號ZL200410025678.1和專利號ZL200410024684. 5的專利。目前用于光譜整形的透射方法的裝置有l(wèi).利用干涉濾光片選擇透射的裝置。但是這種 裝置存在原理和工程技術(shù)上的困難，原理上易造成相位副作用，工程上由于目前的鍍膜工藝 水平限制，濾波帶設(shè)計在十幾個納米時，就無法有效控制透射率曲線的帶寬和中心凹陷的程 度。而且光譜調(diào)制對入射角精度要求高，且缺乏靈活性。2.利用雙折射率晶體組合鏡中尋常 光和非常光干涉產(chǎn)生選擇透射的裝置。但是這種裝置存在原理和工程上的困難， 一是透射式 元件，會對通過它的激光產(chǎn)生副作用，例如引起法布里-伯羅效應(yīng)、相位畸變等；二是雙折射 晶體的厚度取決于待整形激光光束的光譜寬度，激光的光譜越窄，要求晶體的厚度越厚。例 如對l3nm的超短脈沖整形，要求雙折射晶體的厚度為25毫米，而雙折射晶體不可能做的很大。 3.采用鉸鏈型有機聚合物波導(dǎo)或經(jīng)電暈極化具有光電效應(yīng)的有機聚合物波導(dǎo)實現(xiàn)選擇反射的 裝置，但是這種裝置對于大能量高功率激光系統(tǒng)不適用。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的正是針對上述所述現(xiàn)有技術(shù)中所存在的缺陷，提出一種用于大能量高功率 激光啁啾脈沖放大(CPA)系統(tǒng)的自準直凹面調(diào)制光譜調(diào)制整形裝置，該裝置包括改進的切爾尼 -特納光譜儀器系統(tǒng)(Czerny-Turner Spectrum Instrument,簡稱CTSI系統(tǒng))，即該裝置包括 自準直凹面調(diào)制CTSI光譜分解系統(tǒng)與CTSI光譜合成系統(tǒng)，包括自準直凹面光譜調(diào)制反射鏡 構(gòu)成的光譜調(diào)制系統(tǒng)，利用CTSI光譜分解系統(tǒng)先將啁啾脈沖完全真實展開到光譜面，再利用 光譜調(diào)制系統(tǒng)在像平面上進行光譜調(diào)制，然后利用CTSI光譜合成系統(tǒng)將調(diào)制后的光譜無畸變 的還原為調(diào)制后的啁啾脈沖，達到光譜調(diào)制整形目的。本發(fā)明克服了常規(guī)光譜調(diào)制整形裝置 要么是對超過太瓦級的系統(tǒng)不適用、要么是對釹玻璃系統(tǒng)等窄帶系統(tǒng)不適用的問題；本發(fā)明 可對一般激光光束實現(xiàn)光譜調(diào)制和光譜整形，尤其適用于幾個納米帶寬的大能量高功率CPA系統(tǒng)。本裝置采用自準直排布尺寸較小的凹面反射鏡，故具有結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間少，穩(wěn)定 性強等特點；可以插入到放大器鏈路的任何地方；色散分辨本領(lǐng)可以達一埃，幅度調(diào)制在保 證相位不變的條件下超過60%，可應(yīng)用在PW裝置上。為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明采用由以下措施構(gòu)成的技術(shù)方案來實現(xiàn)的-本發(fā)明用于啁啾脈沖放大的自準直凹面調(diào)制光譜調(diào)制整形裝置，其特征在于，按照設(shè)計 光路順序描述包括第一分光棱鏡，第二分光棱鏡，和1/4波片；包括由第一凹面反射鏡， 第一光闌和第二凹面反射鏡構(gòu)成照明系統(tǒng)；進一步包括由第一光闌，第二凹面反射鏡，光柵， 第三凹面反射鏡及凹面光譜調(diào)制反射鏡構(gòu)成的自準直凹面光譜調(diào)制CTSI光譜分解系統(tǒng)；由凹 面光譜調(diào)制反射鏡構(gòu)成的光譜調(diào)制系統(tǒng)；由凹面光譜調(diào)制反射鏡，第三凹面反射鏡，光柵， 第二凹面反射鏡及第一光闌構(gòu)成的自準直凹面光譜調(diào)制CTSI光譜合成系統(tǒng)；來自CPA前端的 激光光束經(jīng)第一分光棱鏡起偏，通過1/4波片及第一凹面反射鏡，再經(jīng)第一凹面反射鏡變?yōu)?平行光束，由上述光譜分解系統(tǒng)，光譜調(diào)制系統(tǒng)及光譜合成系統(tǒng)完成光譜分解、光譜調(diào)制及光譜合成的啁啾脈沖通過1/4波片后，偏振旋轉(zhuǎn)90度，在第一分光棱鏡處全反射到第二分光棱鏡起偏，然后輸入到后級固體放大介質(zhì)中放大。上述技術(shù)方案中，所述光柵采用可逆反射式定向平面閃耀光柵；上述技術(shù)方案中，所有凹面反射鏡均要求在整個工作波段內(nèi)嚴格消除色差、球差，彗差， 像散和場曲，使譜像面對于凹面光譜調(diào)制反射鏡表面的最大偏離小于按瑞利準則導(dǎo)出的半焦 深容限。上述技術(shù)方案中，所述由凹面光譜調(diào)制反射鏡反射原路返回構(gòu)成自準直光路系統(tǒng)。 上述技術(shù)方案中，所述光學(xué)元件全部選用相對色散元件成對稱型的成像系統(tǒng)，或者相對 色散元件成不對稱補償像差的成像系統(tǒng)。上述技術(shù)方案中，所述第一光闌為實共焦望遠鏡像傳遞照明系統(tǒng)的光闌；所述照明系統(tǒng) 在保證正常寬度要求的相干同相入射的條件下，不改變來自CPA前端的激光束的時間和空間 分布，與色散系統(tǒng)和成像系統(tǒng)的相對孔徑匹配，且保證通光口徑能充滿色散系統(tǒng)的口徑；同 時第一光闌采用孔徑光闌，應(yīng)滿足孔徑的正常寬度fl。條件，或滿足CTSI光譜分解系統(tǒng)和CTSI光譜合成系統(tǒng)能達到衍射半寬度"。條件，同時應(yīng)滿足通過激光啁啾脈沖帶寬內(nèi)所有頻譜的光。 上述技術(shù)方案中，所述凹面光譜調(diào)制反射鏡采用多層介質(zhì)膜微浮雕結(jié)構(gòu)的凹面光譜調(diào)制反射鏡；或微鏡結(jié)構(gòu)凹面反射鏡；或凹面液晶光閥；或前加變柵距光柵的凹面反射鏡；或前 加液晶空間光調(diào)制器的凹面反射鏡；或微機電薄膜凹面反射鏡MIMS;或連續(xù)變形凹面反射鏡； 或Bimorph凹面變形鏡；或棱鏡/波導(dǎo)耦合凹面反射鏡；或變柵距光柵凹面反射鏡。上述技術(shù)方案中，所述第一分光棱鏡與第二分光棱鏡位置相互垂直。上述技術(shù)方案中，所述CTSI光譜分解系統(tǒng)和CTSI光譜合成系統(tǒng)中的凹面反射鏡相對色 散元件呈反射式水平成像光譜系統(tǒng)，或呈反射式垂直成像光譜系統(tǒng)。上述技術(shù)方案中，所述CTSI光譜分解系統(tǒng)與CTSI光譜合成系統(tǒng)相對光譜調(diào)制反射鏡呈 反射式水平成像光譜調(diào)制系統(tǒng)，或呈反射式垂直成像光譜調(diào)制系統(tǒng)。本發(fā)明用于啁啾脈沖放大的自準直凹面光調(diào)制譜調(diào)制整形裝置其基本思想是針對激光 光譜，利用自準直凹面調(diào)制CTSI光譜分解系統(tǒng)將激光啁啾脈沖完全真實展開到光譜面，利用 自準直凹面調(diào)制光譜調(diào)制系統(tǒng)在像平面上進行光譜調(diào)制，然后利用自準直凹面調(diào)制CTSI光譜 合成系統(tǒng)將調(diào)制后的光譜無畸變的還原為調(diào)制后的啁啾脈沖，達到光譜調(diào)制整形目的。利用 改進了的切爾尼-特納光譜系統(tǒng)，本發(fā)明實施例采用多層介質(zhì)膜微浮雕結(jié)構(gòu)的凹面光譜調(diào)制反 射鏡，來實現(xiàn)對CPA系統(tǒng)中啁啾脈沖的光譜調(diào)制和光譜整形。由于利用改進了的切爾尼-特納 光譜分光系統(tǒng)及光譜合成系統(tǒng)，使光譜調(diào)制具有調(diào)整靈活性。還選擇可在大口徑大能量條件 下工作的可逆反射式定向平面閃耀光柵。選擇合理的排布結(jié)構(gòu)參數(shù)，準直系統(tǒng)和成像系統(tǒng)的 物鏡均選擇凹面反射鏡，并且都要嚴格校正球差和慧差，使譜面對于調(diào)制鏡平面的最大偏離 小于按瑞利(Rayliegh)準則導(dǎo)出的半焦深容限，從裝置的型式上即對應(yīng)色散元件和二個作為 物鏡的凹面反射鏡的相對位置的設(shè)置來減小像散。多層介質(zhì)膜微浮雕結(jié)構(gòu)光譜調(diào)制反射鏡可 以做到在中心光譜附近實現(xiàn)一定形狀和大小的幅度凹陷而相位保持不變(見專利申請?zhí)?200710049516. 5和200720080292. X的專利申請)。本發(fā)明用于啁啾脈沖放大的自準直凹面光譜調(diào)制整形裝置中，光學(xué)元件全部選用反射元件，其理由是 一是本裝置工作在大能量高功率激光啁啾脈沖條件下，只有反射元件才適合； 二是反射元件沒有色差的問題，不會引起附加光譜調(diào)制，用在光柵式光譜調(diào)制整形裝置中便 于獲得平直的光譜面；三是更換不同的反射膜可以工作在幾乎所有的激光波段范圍，尤其對 紅外，近紅外激光非常重要，因為在遠紅外區(qū)和遠紫外區(qū)沒有合適的光學(xué)材料可制造透鏡。 裝置中光學(xué)元件全部選用相對色散元件成對稱成像系統(tǒng)，其理由是 一是這樣的系統(tǒng)可以將 彗差減小為零，二是在色散元件成對稱系統(tǒng)中容易補償色散為零。由于本發(fā)明是激光光譜分 解和合成，為提高集光本領(lǐng)，本裝置中光闌采用像傳遞望遠鏡系統(tǒng)小孔代替一般系統(tǒng)的狹縫。在實際工作中，為了補償CPA過程中產(chǎn)生的增益窄化和增益飽和效應(yīng)以及提高輸出脈沖 信噪比(SNR)參數(shù)，需要利用光譜整形裝置使放大前的脈沖光譜分布中心波長附近出現(xiàn)一定形狀和大小的凹陷。本發(fā)明采用多層介質(zhì)膜微浮雕結(jié)構(gòu)凹面光譜調(diào)制反射鏡，通過選擇不同的 膜系結(jié)構(gòu)參數(shù)可得到不同的多層介質(zhì)反射鏡的反射率曲線和相應(yīng)的光譜整形效果。從而可補償CPA過程中產(chǎn)生的增益窄化和增益飽和效應(yīng)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下有益的效果和優(yōu)點-1. 本發(fā)明裝置采用改進的CTSI系統(tǒng)，同時釆用多層介質(zhì)膜微浮雕結(jié)構(gòu)凹面光譜調(diào)制反 射鏡，將激光啁啾脈沖分解、調(diào)制、再合成的方法，解決了長期懸而未決的國際通用方法要 么是對超過太瓦的系統(tǒng)不實用、要么是對于釹玻璃系統(tǒng)等窄帶系統(tǒng)不適用的問題。2. 本發(fā)明裝置采用了可在大口徑大能量條件下工作的可逆反射式定向平面閃耀光柵色 散系統(tǒng)，解決了 A0PDF的色分辨率僅能用于鈦寶石這樣的寬帶啁啾脈沖系統(tǒng)，對于釹玻璃系 統(tǒng)不適用的問題。3. 本發(fā)明裝置采用改進的CTSI系統(tǒng)，同時采用多層介質(zhì)膜微浮雕結(jié)構(gòu)凹面光譜調(diào)制反 射鏡，用于激光啁啾脈沖放大光譜分解、整形調(diào)制和光譜合成，解決了大能量高功率啁啾脈 沖放大鏈路譜整形要求的裝置設(shè)計問題；由于裝置中光路呈自準直系統(tǒng)，譜面中央的彗差和 象散都可以減小到忽略不計的程度、邊緣的象差也可減少到理想的程度；由于使用凹面反射 鏡作為準直物鏡和攝譜物鏡，不產(chǎn)生色差，譜面平直。4. 本發(fā)明的光譜調(diào)制整形裝置通用性強，不僅適用于釹玻璃系統(tǒng)，也適用于鈦寶石系 統(tǒng)；如果使光柵繞通過光柵刻劃面的垂軸轉(zhuǎn)動，就可很方便地改變調(diào)制光譜范圍，同時可以 作攝譜儀器，無需附加調(diào)焦，使用很方便。5. 本發(fā)明采用可逆反射式定向平面閃耀光柵，采用凹面光譜調(diào)制反射鏡反射原路返回 構(gòu)成自準直光路系統(tǒng)，使裝置光學(xué)元件減少，結(jié)構(gòu)簡單，易調(diào)試。6. 本發(fā)明裝置的CTSI系統(tǒng)中使用的凹面反射鏡尺寸較小，容易加工，具有裝置結(jié)構(gòu)較 緊湊，占用空間少，制造價格較便宜等特點；解決了國際通用方法中要么要求復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、 要么要求比較昂貴的先進設(shè)備的問題。7. 本發(fā)明裝置中采用多層介質(zhì)膜微浮雕結(jié)構(gòu)光譜調(diào)制反射鏡，同時采用了可在大口徑 大能量條件下工作的反射式定向平面閃耀光柵，解決了大口徑光束反射光強的調(diào)制問題，且 可以使其工作在高功率條件下，因此該裝置可以插入到放大器鏈路的任何地方。8. 本發(fā)明裝置采用多層介質(zhì)膜微浮雕結(jié)構(gòu)平面光譜調(diào)制反射鏡，解決了啁啾脈沖放大 (CAP)中要求反射光相位一致的問題，且相對幅度調(diào)制在保證相位不變的條件下超過60% 。9. 本發(fā)明裝置不僅可以應(yīng)用于ICF激光驅(qū)動器追求研制高功率固體激光器的譜調(diào)整，而 且可對一般激光脈沖實現(xiàn)光譜調(diào)制和光譜整形，尤其適用于幾個納米帶寬的大口徑大能量高 功率CPA系統(tǒng)。10. 本發(fā)明采用實共焦望遠鏡系統(tǒng)作為照明系統(tǒng)，具有在保證正常寬度要求的相千和同 相的入射前提下，不改變輸入種子激光光束的時間和空間分布，聚光本領(lǐng)大，與色散系統(tǒng)和 成像系統(tǒng)的相對孔徑一致匹配，且保證通光口徑能充滿色散系統(tǒng)的口徑等特點。


圖1本發(fā)明自準直凹面光譜調(diào)制CTSI系統(tǒng)光譜調(diào)制整形裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2本發(fā)明圖1裝置實施例1水平空間排布正面圖；圖3本發(fā)明圖1裝置垂直空間排布結(jié)構(gòu)側(cè)面圖；圖4本發(fā)明圖1裝置實施例2垂直空間排布正面圖；圖5本發(fā)明圖1裝置實施例3垂直空間排布正面圖；圖6本發(fā)明圖1裝置實施例4垂直空間排布正面圖；圖7本發(fā)明圖1裝置實施例5垂直空間排布正面圖；圖8本發(fā)明經(jīng)凹面光譜調(diào)制反射鏡調(diào)制后的光譜特性分布曲線圖；圖9本發(fā)明經(jīng)自準直凹面光譜調(diào)制CTSI系統(tǒng)光譜調(diào)制整形裝置調(diào)制后目標脈沖波形。圖中0-CPA前端；1-第一凹面反射鏡；6-第一光闌；2-第二凹面反射鏡；3-光柵；4-第三凹面反射鏡；5'-凹面光譜調(diào)制反射鏡；7-1/4波片；8-第一分光棱鏡；9-第二分光棱鏡；o'-后級固體放大介質(zhì)。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖、工作原理，并通過具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明，但它僅用 于說明本發(fā)明的一些具體的實施方式，而不應(yīng)理解為對本發(fā)明保護范圍的限定。以下對本發(fā)明的自準直凹面調(diào)制光譜調(diào)制整形裝置中各系統(tǒng)的基本原理進行描述 一、光譜分解系統(tǒng)1、 照明系統(tǒng)照明系統(tǒng)是用來盡可能多的匯聚光源射出的光能量，并傳遞給準直系統(tǒng)。針對來自CPA 前端0的種子脈沖，本發(fā)明采用由第一凹面反射鏡1和第二凹面反射鏡2構(gòu)成的實共焦望遠 鏡系統(tǒng)的像傳遞系統(tǒng)來照明，具有在保證正常寬度要求的相干同相入射的前提下，不改變輸 入種子激光光束的時間和空間分布，聚光本領(lǐng)大，與色散系統(tǒng)和成像系統(tǒng)的相對孔徑相匹配， 且保證通光口徑能充滿色散系統(tǒng)的口徑等特點。2、 準直系統(tǒng)本發(fā)明中光柵作為光譜分光和光譜合成元件均工作在平行光束中，因此，需要凹面反射鏡變換。按照光路順序，從裝置的輸入孔徑光闌第一光闌6出射的光由第二凹面反射鏡2變 換為平行光束后照射到光柵3面上，構(gòu)成準直系統(tǒng)。 一般的準直系統(tǒng)是由入射狹縫和準直物 鏡組成，入射狹縫位于準直物鏡的焦平面上。本發(fā)明由于采用激光照明，用像傳遞系統(tǒng)聚焦 孔徑光闌代替了入射狹縫。對于準直系統(tǒng)后面的系統(tǒng)而言，這一光闌的孔徑成為替代的實際 的光源，限制著進入系統(tǒng)的光束。3、色散系統(tǒng)色散系統(tǒng)的作用是將入射的復(fù)合光分解為光譜。由于光譜棱鏡色散率太小，而且存在固 有的譜面傾斜和畸變，故在啁啾脈沖放大(CPA)光譜整形系統(tǒng)中不選。多光束干涉如法布里-珀羅、陸木-蓋克平行板色散分辨率高，但由于不可閃耀，不能工作在大能量下，且光路不可 逆，故不選。凹面光柵，光路簡單，但是由于制造困難，而且許可有效面積小，像質(zhì)差、像 散大，同時線色散率不均勻，故不選。光譜濾光片由于是透射元件，不能工作在大能量條件 下，而且有相位副作用，故不選。階梯光柵元件分辨率極高，但加工極其困難，而且自由光 譜范圍非常狹小，故不選。因而本發(fā)明選擇了可在大口徑大能量條件下工作的反射式定向平 面閃耀光柵。(1) 分解光譜光柵分解原理根據(jù)光線在主截面內(nèi)入射和衍射可得相鄰兩光線干涉極大值的條件確定的光柵方程式《(sinc^十sinA)=附J (1)式中，",為分解光譜光柵入射角；y5,為分解光譜光柵衍射角；《為分解光譜光柵刻痕間距，通常稱為光柵常數(shù)；^為光譜級次，為整數(shù)；義為波長，可改寫上式為A (義)=arcsin("^1 — sin ) (2) 《由式(2)明顯地看出，當光柵的光柵常數(shù)《及入射角^一定時，除零級外，在確定的光譜級次w,中，波長;i愈長的光束衍射角愈大。這樣，不同波長的同一級主最大，自零級開始向左右兩側(cè)按波長次序由短波向長波散開。在實際的光柵衍射圖樣中，由于總的刻線數(shù)目很大， 所以主最大對應(yīng)的角寬度很小，在光柵后面的成像物鏡焦面上就形成非常明銳的細亮線—— 譜線。(2) 合成光譜光柵合成原理以幾何光學(xué)描述如下不同波長的同一級主最大是，自零級開始向左右兩側(cè)按波長次序由短波向長波按光譜分布散開的單色光，以各色衍射角々(;i)會聚入射到光柵上，光柵能將它按波長在空間進行光譜合成，這同樣是由于多縫衍射和干涉的結(jié)果。光柵產(chǎn)生的合成光強， 其位置是由各色多級衍射圖樣中的主最大條件決定的。通常以反射式定向光柵作為光譜合成器件。對于合成光譜光柵，光線在主截面內(nèi)入射和衍射的光柵方程式同樣為d2(sina2 +sin A)=附2>1 (3)式中，a,為合成光譜光柵入射角；^為合成光譜光柵衍射角；《為合成光譜光柵刻痕 間距，稱為光柵常數(shù)；^為合成光譜光柵光譜級次，為整數(shù)。若不考慮能量損失，即假設(shè)全 部衍射光以匯聚球面波參與合成時，由(2)式代入(3)式即"2(;1) = /01("方程式變?yōu)?lt;formula>formula see original document page 11</formula>A, (6) 由式(4)、式(5)和式(6)明顯地看出，當一束匯聚的各單色光以各色衍射角 A(A)-arcsin(^-sinq)入射到合成光譜光柵上，當合成光譜光柵的光柵常數(shù)與分解光譜光柵的光柵常數(shù)相同時，即^=《，且合成與分解光譜級次相對應(yīng)，即附2=^,且光柵工作在閃耀條件下，即主值范圍在(0,冗/2)，能將光譜按波長在空間進行光譜合成，使各色光出射角A(義)等于光譜分解時的入射角^，即各色光出射角為常數(shù)。這同樣是由于多縫衍射和干涉的結(jié)果。通常以光柵集中90%以上能量的第一級衍射光譜的單色光實現(xiàn)光譜合成，光柵產(chǎn)生的合成光強，其位置是由各色多級衍射圖樣中的主最大條件決定，有A^"'。因此通常以 可逆反射式定向平面閃耀光柵作為光譜合成器件。以鍍金對稱雙斜坡面刻劃反射式定向平面閃耀光柵為例，確定合成光柵幾何參數(shù)反射 式定向平面閃耀光柵刻痕斷面A的幾何參數(shù)定義為槽面寬度均為b，光柵槽形角為均為t，光柵常數(shù)為均為d;根據(jù)集中光能量于預(yù)定的某一光譜級次的要求，應(yīng)使所要求的衍射方向和 斷面A的反射光，即零級主極大方向重合，表示為<formula>formula see original document page 11</formula> (7)同時根據(jù)將光柵的零級主極大方向，置于槽面寬度為b的斷面A作為單縫時其第一衍射<formula>formula see original document page 11</formula>(8) 根據(jù)式(1) 一 (6)所確定的光譜級次、波長和入射角，則由式(7)和式(8)可以計算出刻劃定向光柵時斷面參數(shù)(6，Ar)。平面光柵閃耀的一般條件，即付閃耀條件，應(yīng)滿足下 式""2+A_2 (9) 式中，t為光柵槽形角，即刻槽面與光柵平面的夾角，或槽面法線n與光柵平面法線n 的夾角，也稱光柵閃耀角當光柵工作在利特羅自準直裝置下，即《2=》2=,，即主衍射條 件時，有下式<formula>formula see original document page 12</formula>(10)根據(jù)上述原理設(shè)計的光柵實驗測得的結(jié)果看，光柵伍德異常與入射光的偏振有關(guān)， 一般在^<0.8的波長范圍內(nèi)，且光柵用于自準直裝置第一級時發(fā)生。因為第一級衍射效率最高， 自由光譜寬度最大，通常使用第一級衍射，因此，光柵最好不工作在自準直裝置條件下，以消除光柵伍德異常。對非利特羅裝置，閃耀方向為<formula>formula see original document page 12</formula> (11)和付閃耀條件下閃耀波長為-<formula>formula see original document page 12</formula> (12) 2 2 《式中，《為入射光與衍射光的夾角，A,分別為閃耀方向和付閃耀條件下閃耀波長。由式(11)和式(12)可見，只要中心波長閃耀，附近的波長也能近似為閃耀輸出，只是衍射效 率相對降低一點。因此，合成光柵與分解光柵一樣，選擇對中心波長閃耀的可逆反射式定向 平面閃耀光柵。對于合成光譜光柵的嚴格波動理論證明為譜面上光譜分布位置為(-/,^)，譜面位于 準直物鏡的前焦面-/，譜面上光譜單色光垂直位置為L，衍射光柵位于準直物鏡的后焦面 (/,0)。使中心波長位于光軸上，它的-i級干涉主極大與槽面衍射主極大重合，零級干涉主極大剛好落在槽面衍射的+ l級零值極小上；使其它波長位于準直物鏡光軸的兩側(cè)，它們的-l 級干涉主極大與中心波長光譜的槽面衍射主極大重合；同時使光柵平面法線與物鏡光軸的夾 角為衍射光柵槽形角t的一半，d取1 y m左右，激光束在近場和遠場均能很好地疊加在一起； 其輸出光束的半角寬度小，光強大，衍射效率高，更能有效地利用入射光能量。這樣的頻譜 合成，可以達到近衍射極限的光束質(zhì)量，且衍射光柵槽形角t越小，光束半寬度越小。4、成像系統(tǒng)成像系統(tǒng)的作用是將空間上色散開的各波長的光束會聚在成像物鏡的焦平面上，形成一 系列的按波長排列的頻譜的單色像。由于被研究的對象不同，其成像有三種情況線光譜、 帶光譜或連續(xù)光譜。對啁啾脈沖的分解、調(diào)制和合成，光譜在啁啾范圍內(nèi)是連續(xù)光譜或是一 級的帶狀光譜。成像系統(tǒng)的另一個作用是矯正彗差和像散。成像系統(tǒng)中球差是無法用調(diào)整的辦法來消除 的，必須在設(shè)計系統(tǒng)時，將光學(xué)元件校正到象差容限以內(nèi)。用凹面反射鏡作為準直、成像物 鏡時，為了校正球差可以采用拋物面凹面反射鏡。然而彗差則可以將準直和成像兩個物鏡一 起考慮，從裝置構(gòu)型的排布來加以校正，本發(fā)明采用色散元件和兩個作為物鏡的凹面反射鏡 的相對位置來減小彗差。同樣，采用凹面反射鏡作為準直物鏡和成像物鏡時，也無法從選擇 物鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)上來減小像散，但可采用裝置的型式即色散元件和二個物鏡的相對位置的設(shè) 置減小像散。二、 光譜調(diào)制系統(tǒng)由凹面光譜調(diào)制反射鏡5'構(gòu)成光譜調(diào)制系統(tǒng)，由成像鏡第三凹面反射鏡4成像于凹面光 譜調(diào)制反射鏡，由于凹面光譜調(diào)制反射鏡采用在凹面反射鏡上鍍制多層介質(zhì)膜微浮雕結(jié)構(gòu)的 光譜調(diào)制反射膜，其寶塔型微浮雕結(jié)構(gòu)外側(cè)為高反射膜系，寶塔型微浮雕結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)為增透膜 系結(jié)構(gòu)。其中，高反射膜系結(jié)構(gòu)是為了實現(xiàn)對啁啾脈沖經(jīng)光柵后的衍射光場進行光強調(diào)制， 從而達到光譜整形目的，而增透膜系寶塔型結(jié)構(gòu)是為了增加光譜調(diào)制的靈活性而加入的。寶 塔型結(jié)構(gòu)的不同臺階所對應(yīng)光譜調(diào)制反射鏡面上的橫向空間位置即為利用光譜調(diào)制反射鏡進 行光強調(diào)制的空間位置?？梢宰龅皆谥行墓庾V附近實現(xiàn)幅度凹陷而相位保持不變，將其反射 光強分布調(diào)制到所需光譜分布結(jié)構(gòu)，如圖8給出了在中心波長附近處進行不同深度光譜調(diào)制 的結(jié)果，圖8中，曲線1為輸入啁啾脈沖光譜分布；曲線2為光譜整形多層介質(zhì)微浮雕結(jié)構(gòu) 反射鏡的反射調(diào)制曲線；曲線3為整形后脈沖光譜分布。本裝置由于自準直的特殊性，調(diào)制反射光由凹面光譜調(diào)制反射鏡5'反射經(jīng)原路返回到第 三凹面反射鏡4構(gòu)成自準直系統(tǒng)，同時由于多層介質(zhì)膜微浮雕結(jié)構(gòu)調(diào)制，得到所需要的反射 光強分布結(jié)構(gòu)。通過合理設(shè)計膜系結(jié)構(gòu)參數(shù)和有效控制加工精度，可使放大前的啁啾脈沖經(jīng) 光譜整形多層介質(zhì)微浮雕結(jié)構(gòu)反射鏡反射后，其光譜分布在中心波長附近出現(xiàn)不同調(diào)制形狀 和調(diào)制深度的凹陷，如圖9所示。三、 光譜合成系統(tǒng)由前述合成光譜光柵合成原理可知，不同波長的同一級主最大是，自零級開始向左右兩 側(cè)，按波長次序由短波向長波按光譜分布散開的單色光，以各色衍射角;9(A)會聚入射到光柵上，光柵能將它按波長在空間進行光譜合成。在光譜合成系統(tǒng)光路上描述如下凹面光譜調(diào) 制反射鏡5'的出射光作為下一系統(tǒng)的入射光，來自凹面光譜調(diào)制反射鏡的反射光經(jīng)準直鏡 第三凹面反射鏡4變換為平行光照射到光柵上，經(jīng)成像、色散相減和合成，在經(jīng)成像凹面反 射鏡第二凹面反射鏡成像在出射光闌第一光闌處，至此構(gòu)成一個完整的光譜合成單元，即CTSI 光譜合成系統(tǒng)。由于光譜合成系統(tǒng)，是以凹面光譜調(diào)制反射鏡反射后經(jīng)原路返回的成像系統(tǒng)和色散系統(tǒng)， 其特點是光譜合成系統(tǒng)與光譜分解系統(tǒng)成自準直成像系統(tǒng)；并與光譜分解系統(tǒng)一致成色散相 減的系統(tǒng)；通常要求各色光線光程差為零，即附加剩余色散為零。本裝置設(shè)計的CTSI光譜合 成系統(tǒng)與CTSI光譜分解系統(tǒng)以凹面光譜調(diào)制反射鏡反射呈自準直系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。因此，設(shè)計CTSI光譜合成系統(tǒng)與CTSI光譜分解系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)完全相同、對稱，即所述CTSI 光譜分解系統(tǒng)與CTSI光譜合成系統(tǒng)的準直、成像系統(tǒng)的焦距相等，橫向放大率相等，或者 CTSI光譜合成系統(tǒng)與CTSI光譜分解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完全對稱，并且以逆向正常光路方向從CTSI光 譜合成系統(tǒng)追跡的系統(tǒng)與CTSI光譜分解系統(tǒng)的準直、成像系統(tǒng)的焦距對應(yīng)相等，橫向放大率 相等。在所有光闌及其像的寬度相等的條件下，可以使剩余色散相減為零。四、準直成像系統(tǒng)的象差容限在光學(xué)設(shè)計中應(yīng)對CTSI光譜合成系統(tǒng)與CTSI光譜分解系統(tǒng)單獨完成像差校正，使CTSI 光譜合成系統(tǒng)與CTSI光譜分解系統(tǒng)的像差都在容限范圍以內(nèi)，才能保證系統(tǒng)總像差的要求。 光學(xué)系統(tǒng)象差校正的要求可概括為l)在整個視場范圍內(nèi)使光譜面平直；2)在整個光譜面上 譜線聚焦清晰，譜線輪廓對稱；3)沿譜線高度方向強度分布均勻。CTSI光譜合成系統(tǒng)與CTSI 光譜分解系統(tǒng)的準直系統(tǒng)是小相對孔徑、小視場系統(tǒng)；成像系統(tǒng)則是小相對孔徑、中等視場 系統(tǒng)。對象差校正的參數(shù)要求則可歸納為準直系統(tǒng)和成像系統(tǒng)的物鏡都要嚴格校正球差和彗差。根據(jù)經(jīng)驗， 一般都采用瑞利準則作為象差容限。所謂瑞利(Rayliegh)準則，就是由剩余 球差、剩余彗差所產(chǎn)生的最大波象差應(yīng)當小于X/4。按照軸向象差和波象差的關(guān)系，可以得 到凹面反射鏡的球差和彗差的容限如下軸向球差<formula>formula see original document page 14</formula>)偏離正弦條件-<formula>formula see original document page 14</formula>式中，"為有效光闌孔徑，就是色散元件的有效寬度；/'為物鏡的焦距；人為選定的光線波長；/為邊緣主光線或邊緣譜線到光軸的距離。在本發(fā)明裝置中都是采用凹面反射鏡作為準直物鏡和成像物鏡，不能組合以校正球差。 需要分別消除球差時，可采用非球面鏡。但是因為拋物面鏡的初級彗差比球面鏡的大，多數(shù) 用球面鏡。如果裝置中只能采用球面鏡時，則只能控制相對孔徑來使球差的彌散圓直徑小于 孔徑的正常寬度容限《。。而彗差則可以兩個物鏡一起考慮，本發(fā)明是通過改進的CTSI系統(tǒng)并通過控制相對孔徑可將彗差校正到趨近于零。校直光譜面使譜面對于光譜調(diào)制反射鏡面的最大偏離小于按瑞利(Rayliegh)準則導(dǎo)出 的半焦深容限<formula>formula see original document page 15</formula>(15) 式中，AF為焦深，通常準直和成像系統(tǒng)的色差對譜面的彎曲起著決定性的作用。 一般 可使用準直和成像系統(tǒng)物鏡的色差和子午場曲相互補償?shù)姆椒▉慝@得平直的譜面。但是本發(fā) 明中，因為光柵的橫向放大率隨波長的變化不大，不能采用上述相互補償?shù)姆椒?。因此兩個 系統(tǒng)的物鏡都要嚴格消色差，為此本發(fā)明采用凹面反射鏡作為準直和成像系統(tǒng)物鏡。五、系統(tǒng)裝置的構(gòu)型CTSI光譜分解系統(tǒng)與CTSI光譜合成系統(tǒng)中色散元件、反射鏡、光闌和它的幾何像的中 心均置于水平面內(nèi)，即反射式水平成像光譜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而色散元件、反射鏡、光闌和它的幾 何像的中心均置于垂直平面內(nèi)，即反射式垂直成像光譜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。CTSI光譜分解系統(tǒng)與CTSI 光譜合成系統(tǒng)相對光譜調(diào)制反射鏡呈水平對稱，定義為反射式水平成像光譜調(diào)制系統(tǒng)。CTSI 光譜分解系統(tǒng)與CTSI光譜合成系統(tǒng)相對光譜調(diào)制反射鏡呈垂直對稱，定義為反射式垂直成像 光譜調(diào)制系統(tǒng)。由于光譜調(diào)制反射鏡水平方向要產(chǎn)生寄生衍射，而垂直方向相當于平面鏡反 射，因此我們選擇反射式垂直成像光譜調(diào)制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。但是當調(diào)制反射鏡調(diào)制臺階結(jié)構(gòu)的寬 度是中心波長的十倍以上時，光譜調(diào)制反射鏡水平方向產(chǎn)生的寄生衍射小到觀察不到，此時 反射式水平成像光譜調(diào)制系統(tǒng)可以使用。具體裝置的構(gòu)型由裝置安放的空間環(huán)境以及成像質(zhì) 量要求來決定。實施例1:本實施例中，光柵3為可在大口徑大能量條件下工作的可逆反射式定向平面閃耀光柵； 凹面光譜調(diào)制反射鏡5'為多層介質(zhì)膜微浮雕結(jié)構(gòu)的凹面光譜調(diào)制反射鏡；所有凹面反射鏡均 要嚴格消除色差、球差，彗差，使譜像面對于凹面光譜調(diào)制反射鏡表面的最大偏離小于按瑞利準則導(dǎo)出的半焦深容限；第一光闌6為孔徑光闌，同時為入射光闌，還為出射光闌。按圖1所示的自準直凹面光譜調(diào)制整形裝置結(jié)構(gòu)光路圖布置好光學(xué)元件，本裝置結(jié)構(gòu)空 間排布為CTSI光譜分解系統(tǒng)與由凹面光譜調(diào)制反射鏡5'反射后形成的CTSI光譜合成系統(tǒng)中的色散元件、反射鏡、光闌和它的幾何像的中心均置于水平面內(nèi)，即本裝置呈反射式水平成像光譜調(diào)制整形裝置結(jié)構(gòu)，如圖2所示，裝置設(shè)計要求、結(jié)構(gòu)空間排布及元件參數(shù)如表1所示_表1設(shè)計要求、結(jié)構(gòu)空間排布及元件參數(shù)_設(shè)計要求、結(jié)構(gòu)空間排布_入射光束口徑正常寬度 線色散分辨率 準直與成像物鏡焦距 相對孔徑取值光柵相對準直與成像物鏡距離 光柵入射角為利特羅角 光柵入射光束口徑 光柵條紋密度 光柵面工作通量-可逆閃耀光柵3尺寸 第一凹面反射鏡l: 第二凹面反射鏡2: 第三凹面反射鏡4: 凹面光譜調(diào)制反射鏡5': 光譜調(diào)制反射鏡無剪切帶寬-孔徑光闌6:第一凹面反射鏡1離軸設(shè)置中心線夾角Z012: 第二凹面反射鏡2離軸設(shè)置中心線夾角Z123:可逆閃耀光柵3入射光衍射光水平中心線夾角Z234: 第三凹面反射鏡4離軸設(shè)置中心線夾角Z345': 光譜調(diào)制反射鏡5'入射光衍射光中心線夾角Z45'4:03咖105. 3|ini 0.lnm/mm 3000mm 1: 100 2550mm 66.36385° 030mm 1740g/mm 0. 5J/cm2100mm X50ramX 20mm030mm X40咖，曲率半徑為0. 6m0292mm X 40mm，曲率半徑為6m0292mmX4Omm，曲率半徑為6m440 mmXI00 ramX40mm，曲率半徑為6m24nm270. 89|im8。8。132.7277° 8. 7335° O0自準直凹面調(diào)制光譜調(diào)制CTSI光譜分解系統(tǒng)，按光路順序描述如下來自CPA前端O的 激光光束經(jīng)第一分光棱鏡8起偏，以布魯斯特角入射的p光通過l/4波片7，再通過第一凹 面反射鏡1和第二凹面反射鏡2組成的像傳遞系統(tǒng)，在第一光闌6處聚焦，第一光鬧成為本 光譜調(diào)制整形裝置的輸入孔徑光闌，光束經(jīng)第二凹面反射鏡2變換后為平行光束照射到可逆 反射式定向平面閃耀光柵3面上，構(gòu)成準直系統(tǒng)。由于采用激光照明這里用像傳遞系統(tǒng)第一 光闌6代替了入射狹縫。對于后面的系統(tǒng)而言，第一光闌6的孔徑成為替代的實際的光源， 限制著進入凹面光譜調(diào)制自準直光譜調(diào)制整形裝置的光束。由第一光闌6的孔徑發(fā)出的光束 經(jīng)準直物鏡第二凹面反射鏡2后變成平行光束投向由光柵3構(gòu)成的色散系統(tǒng)，接著衍射光經(jīng)第三凹面反射鏡4成像在凹面光譜調(diào)制反射鏡5'上，至此構(gòu)成一個完整的CTSI光譜分解系統(tǒng)。 CTSI光譜分解系統(tǒng)以光路順序表示為6-2-3-4-5'。自準直凹面調(diào)制光譜調(diào)制系統(tǒng)，凹面光譜調(diào)制反射鏡5'采用在凹面反射鏡上鍍制的高、 低折射率交替的微浮雕結(jié)構(gòu)多層介質(zhì)膜，多層介質(zhì)膜凹面光譜調(diào)制反射鏡可以做到在中心光 譜附近實現(xiàn)幅度凹陷而相位保持不變。光譜調(diào)制系統(tǒng)要求譜像面對于凹面光譜調(diào)制反射鏡5' 表面的最大偏離小于按瑞利(Rayliegh)準則導(dǎo)出的半焦深容限，在凹面光譜調(diào)制反射鏡5'表面的彌散斑直徑2dr'，或是在色散方向的彌散寬度a'小于確定的數(shù)值a。。凹面光譜調(diào)制反射鏡其反射光強分布則可調(diào)制到所需光譜分布結(jié)構(gòu)，如圖8所示曲線給出了在中心波長附近處 進行不同深度光譜調(diào)制的結(jié)果，圖8中，曲線1為輸入啁啾脈沖光譜分布；曲線2為光譜整 形多層介質(zhì)微浮雕結(jié)構(gòu)反射鏡的反射調(diào)制曲線；曲線3為整形后脈沖光譜分布。自準直凹面調(diào)制光譜調(diào)制CTSI光譜合成系統(tǒng)，經(jīng)凹面光譜調(diào)制反射鏡5'的調(diào)制反射光經(jīng) 原路返回，這樣的系統(tǒng)類似自準直成像系統(tǒng)和色散系統(tǒng)。其特點是結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。而且與 利特羅(Littrow)系統(tǒng)不同，反射光通過前面的CTSI光譜分解系統(tǒng)6-2-3-4-5'時，光線傳輸 一致成色散相減的系統(tǒng)。按光路順序描述如下來自凹面光譜調(diào)制反射鏡5'的調(diào)制反射光， 經(jīng)原路返回到第三凹面反射鏡4，準直到光柵3形成色散相減的結(jié)構(gòu)，光束平行入射到第二 凹面反射鏡2再聚焦到第一光闌6構(gòu)成一個完整的CTSI光譜合成系統(tǒng)；CTSI光譜合成系統(tǒng) 以光路順序表示為5'-4-3-2-6。 CTSI光譜合成系統(tǒng)合成后的光束從第一光闌6出射，經(jīng)第 一凹面反射鏡1變換為平行光束，完成光譜分解、調(diào)制及合成的啁啾脈沖通過1/4波片7后， 偏振旋轉(zhuǎn)90度，在第一分光棱鏡8處全反射到與第一分光棱鏡垂直的第二分光棱鏡9起偏， 濾掉雜散光后，輸入到后級固體放大介質(zhì)0'中放大。由凹面光譜調(diào)制反射鏡5'反射的光經(jīng) 原路返回到第三凹面反射鏡4，成像到色散系統(tǒng)，呈自準直系統(tǒng)。由于光線原路返回中，可 以使剩余色散相減為零。通過自準直凹面光譜調(diào)制整形裝置調(diào)制后得到所需光譜分布結(jié)構(gòu)， 如圖9所示，在1053nm中心波長附近在保證相位不變的條件下，控制中心凹陷大小形狀程度， 相對幅度調(diào)制超過60%。本實施例中，所述的凹面光譜調(diào)制反射鏡5'可以替換為微鏡結(jié)構(gòu)凹面反射鏡；或凹面液 晶光闊；或前加變柵距光柵的凹面反射鏡；或前加液晶空間光調(diào)制器的凹面反射鏡；或微機 電薄膜凹面反射鏡MIMS;或連續(xù)變形凹面反射鏡；或Bimorph凹面變形鏡；或棱鏡/波導(dǎo)耦 合凹面反射鏡；或變柵距光柵凹面反射鏡使用，調(diào)制方法與本實例一樣，同樣可以實現(xiàn)啁啾脈沖光譜調(diào)制和光譜整形目的，并得到所需光譜分布結(jié)構(gòu)。實施例2:本實施例中，光柵3為可在大口徑大能量條件下工作的可逆反射式定向負一級平面閃耀 光柵；凹面光譜調(diào)制反射鏡為多層介質(zhì)膜微浮雕結(jié)構(gòu)的凹面光譜調(diào)制反射鏡；所有凹面反射 鏡均要嚴格消除色差、球差，彗差，使譜像面對于凹面光譜調(diào)制反射鏡表面的最大偏離小于 按瑞利準則導(dǎo)出的半焦深容限；第一光闌6為孔徑光闌，同時為入射光闌，也為出射光闌。按圖1所示的自準直凹面調(diào)制光譜調(diào)制整形裝置結(jié)構(gòu)的光路圖布置好光學(xué)元件，本裝置 結(jié)構(gòu)空間排布為CTSI光譜分解系統(tǒng)與由凹面光譜調(diào)制反射鏡5'反射后形成的CTSI光譜合成 系統(tǒng)的色散元件、反射鏡、光闌和它的幾何像的中心均置于垂直平面內(nèi)，即本發(fā)明裝置呈反 射式垂直成像光譜調(diào)制整形裝置結(jié)構(gòu)，如圖3和圖4所示，裝置設(shè)計要求、結(jié)構(gòu)空間排布及 元件參數(shù)如表2所示_表2設(shè)計要求、結(jié)構(gòu)空間排布及元件參數(shù)_設(shè)計要求、結(jié)構(gòu)空間排布參數(shù)入射光束口徑03mm正常寬度-105. 3nm線色散分辨率0. lnm/咖準直與成像物鏡焦距3000mm相對孔徑取值1: 100光柵相對準直與成像物鏡距離2550畫光柵入射角為利特羅角66.36385°光柵入射光束口徑030mm光柵條紋密度1740g/咖光柵面工作通量0. 5J/cm2可逆閃耀光柵3尺寸100咖X50mmX20mm第一凹面反射鏡1:03OrrnnX4Omm，曲率半徑為0. 6m第二凹面反射鏡2:0292mmX4Omm，曲率半徑為6m第三凹面反射鏡4:0292rmnX4Omm，曲率半徑為6m凹面光譜調(diào)制反射鏡5':440mmX100mmX40咖，曲率半徑為6m光譜調(diào)制反射鏡無剪切帶寬24nm孔徑光闌6:270. 8一第一凹面反射鏡1離軸設(shè)置中心線夾角Z012水平投影8D第一凹面反射鏡1離軸設(shè)置中心線夾角Z012垂直投影60第二凹面反射鏡2離軸設(shè)置中心線夾角Z123水平投影80第二凹面反射鏡2離軸設(shè)置中心線夾角/123垂直投影60可逆閃耀光柵3入射光衍射光間中心線夾角Z234水平投影:0o可逆閃耀光柵3入射光衍射光間中心線夾角Z234垂直投影:60第三凹面反射鏡4離軸設(shè)置中心線夾角Z345'水平投影8. 7335°第三凹面反射鏡4離軸設(shè)置中心線夾角Z345'垂直投影60光譜調(diào)制反射鏡5'入射光衍射光中心線夾角Z45'4:自準直凹面光譜調(diào)制CTSI光譜分解系統(tǒng)，按光路順序描述如下來自CPA前端0的激光光束經(jīng)第一分光棱鏡8起偏，以布魯斯特角入射的p光通過1/4波片7，再通過第一凹面反射鏡1和第二凹面反射鏡2組成的像傳遞系統(tǒng)，在第一光闌6處聚焦，第一光闌成為本光譜 調(diào)制整形裝置的輸入孔徑光闌，光束經(jīng)第二凹面反射鏡2變換后為平行光束照射到光柵3面 上，構(gòu)成準直系統(tǒng)。由于采用激光照明這里用像傳遞系統(tǒng)第一光闌6代替了入射狹縫。對于 后面的系統(tǒng)而言，第一光闌6的孔徑成為替代的實際的光源，限制著進入自準直凹面光譜調(diào) 制整形裝置的光束。由第一光闌6的孔徑發(fā)出的光束經(jīng)準直物鏡第二凹面反射鏡2后變成平 行光束投向由光柵3構(gòu)成的色散系統(tǒng)，接著衍射光經(jīng)第三凹面反射鏡4成像在凹面光譜調(diào)制 反射鏡5'上，至此構(gòu)成一個完整的CTSI光譜分解系統(tǒng)。CTSI光譜分解系統(tǒng)以光路順序表示 為6-2-3-4-5'。自準直凹面光譜調(diào)制系統(tǒng)，凹面光譜調(diào)制反射鏡5'采用在凹面反射鏡上鍍制的高、低折 射率交替的微浮雕結(jié)構(gòu)多層介質(zhì)膜，多層介質(zhì)膜凹面光譜調(diào)制反射鏡可以做到在中心光譜附 近實現(xiàn)幅度凹陷而相位保持不變。光譜調(diào)制系統(tǒng)要求譜像面對于凹面光譜調(diào)制反射鏡5'表面 的最大偏離小于按瑞利(Rayliegh)準則導(dǎo)出的半焦深容限，在凹面光譜調(diào)制反射鏡5'表面的彌散斑直徑2dr'，或是在色散方向的彌散寬度a'小于確定的數(shù)值a。。凹面光譜調(diào)制反射鏡其反射光強分布則可調(diào)制到所需光譜分布結(jié)構(gòu)，如圖8所示曲線給出了在中心波長附近處進行 不同深度光譜調(diào)制的結(jié)果，圖8屮，曲線1為輸入啁啾脈沖光譜分布；曲線2為光譜整形多 層介質(zhì)微浮雕結(jié)構(gòu)反射鏡的反射調(diào)制曲線；曲線3為整形后脈沖光譜分布。自準直凹面光譜調(diào)制CTSI光譜合成系統(tǒng)，經(jīng)凹面光譜調(diào)制反射鏡5'的調(diào)制反射光經(jīng)原路 返回，這樣的系統(tǒng)類似自準直成像系統(tǒng)和色散系統(tǒng)。其特點是結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。而且與利特 羅(Littrow)系統(tǒng)不同，反射光通過前面的CTSI光譜分解系統(tǒng)6-2-3-4-5'時，光線傳輸一致 成色散相減的系統(tǒng)。按光路順序描述如下來自凹面光譜調(diào)制反射鏡5'的調(diào)制反射光，經(jīng)原 路返回到第三凹面反射鏡4，準直到光柵3形成色散相減的結(jié)構(gòu)，光束平行入射到第二凹面 反射鏡2再聚焦到第一光闌6構(gòu)成一個完整的CTSI光譜合成系統(tǒng)；CTSI光譜合成系統(tǒng)以光 路順序表示為5'-4-3-2-6。 CTSI光譜合成系統(tǒng)合成后的光束從第一光闌6出射，經(jīng)第一凹 面反射鏡l變換為平行光束，完成光譜分解、調(diào)制及合成的啁啾脈沖通過l/4波片7后，偏 振旋轉(zhuǎn)90度，在第一分光棱鏡8處全反射到與第一分光棱鏡垂直的第二分光棱鏡9起偏，濾 掉雜散光后，輸入到后級固體放大介質(zhì)0'中放大。由凹面光譜調(diào)制反射鏡5'反射的光經(jīng)經(jīng) 原路返回到第三凹面反射鏡4，成像到色散系統(tǒng)，呈自準直系統(tǒng)。由于光線經(jīng)原路返回中， 可以使剩余色散相減為零。通過自準直凹面光譜調(diào)制整形裝置調(diào)制后得到所需光譜分布結(jié)構(gòu)， 如圖9所示，在1053nm中心波長附近在保證相位不變的條件下，控制中心凹陷大小形狀程度， 相對幅度調(diào)制超過60%。本實施例中，所述的凹面光譜調(diào)制反射鏡5'可以替換為微鏡結(jié)構(gòu)凹面反射鏡；或凹面液 晶光閥；或前加變柵距光柵的凹面反射鏡；或前加液晶空間光調(diào)制器的凹面反射鏡；或微機 電薄膜凹面反射鏡MIMS;或連續(xù)變形凹面反射鏡；或Bimorph凹面變形鏡；或棱鏡/波導(dǎo)耦 合凹面反射鏡；或變柵距光柵凹面反射鏡使用，調(diào)制方法與本實例一樣，同樣可以實現(xiàn)啁啾 脈沖光譜調(diào)制和光譜整形目的，并得到所需光譜分布結(jié)構(gòu)。實施例3:本實施例中，光柵3為可在大口徑大能量條件下工作的可逆反射式定向正一級平面閃耀 光柵；凹面光譜調(diào)制反射鏡為多層介質(zhì)膜微浮雕結(jié)構(gòu)的凹面光譜調(diào)制反射鏡；所有凹面反射 鏡均要嚴格消除色差、球差，彗差，使譜像面對于凹面光譜調(diào)制反射鏡表面的最大偏離小于 按瑞利準則導(dǎo)出的半焦深容限；第一光闌6為孔徑光闌，同時為入射光闌，也為出射光闌。按圖1所示的自準直凹面光譜調(diào)制整形裝置結(jié)構(gòu)的光路圖布置好光學(xué)元件，本裝置結(jié)構(gòu) 空間排布為CTSI光譜分解系統(tǒng)與由凹面光譜調(diào)制反射鏡5'反射后形成的CTSI光譜合成系統(tǒng) 的色散元件、反射鏡、光鬧和它的幾何像的中心均置于垂直平面內(nèi)，即本發(fā)明裝置呈反射式 垂直成像光譜調(diào)制整形裝置結(jié)構(gòu)，如圖3和圖5所示，裝置設(shè)計要求、結(jié)構(gòu)空間排布及元件 參數(shù)如表2所示_表2設(shè)計要求、結(jié)構(gòu)空間排布及元件參數(shù)_設(shè)計要求、結(jié)構(gòu)空間排布_入射光束口徑 正常寬度線色散分辨率 準直與成像物鏡焦距 相對孔徑取值光柵相對準直與成像物鏡距離 光柵入射角為利特羅角 光柵入射光束口徑 光柵條紋密度 光柵面工作通量 可逆閃耀光柵3尺寸 第一凹面反射鏡1 第二凹面反射鏡2 第三凹面反射鏡4 凹面光譜調(diào)制反射鏡5'-光譜調(diào)制反射鏡無剪切帶寬-孔徑光闌6:第一凹面反射鏡1離軸設(shè)置中心線夾角Z012水平投影 第一凹面反射鏡1離軸設(shè)置中心線夾角Z012垂直投影 第二凹面反射鏡2離軸設(shè)置中心線夾角Z123水平投影 第二凹面反射鏡2離軸設(shè)置中心線夾角Z123垂直投影03mm 105. 3nm 0.lnm/mm 3000mm 1: 100 2550咖 66.36385。 030mm 1740g/mm 0. 5J/cm2100mmX50mmX20mm 030咖X4Omin,曲率半徑為0. 6m 0292nunX4Omm，曲率半徑為6m 0292mmX4Omm，曲率半徑為6m 440mmX100mraX40mm,曲率半徑為6m 24nm270. 89一80608060可逆閃耀光柵3入射光衍射光間中心線夾角Z234水平投影 132. 7277° 可逆閃耀光柵3入射光衍射光間中心線夾角Z234垂直投影 6D 第三凹面反射鏡4離軸設(shè)置中心線夾角Z345'水平投影 8. 7335°第三凹面反射鏡4離軸設(shè)置中心線夾角Z345'垂直投影 6°光譜調(diào)制反射鏡5'入射光衍射光中心線夾角Z45'4:__自準直凹面光譜調(diào)制CTSI光譜分解系統(tǒng)，按光路順序描述如下來自CPA前端O的激光光束經(jīng)第一分光棱鏡8起偏，以布魯斯特角入射的p光通過l/4波片7，再通過第一凹面反射鏡1和第二凹面反射鏡2組成的像傳遞系統(tǒng)，在第一光闌6處聚焦，第一光闌成為本光譜調(diào)制整形裝置的輸入孔徑光闌，光束經(jīng)第二凹面反射鏡2變換后為平行光束照射到光柵3面上，構(gòu)成準直系統(tǒng)。由于采用激光照明這里用像傳遞系統(tǒng)第一光闌6代替了入射狹縫。對于后面的系統(tǒng)而言，第一光闌6的孔徑成為替代的實際的光源，限制著進入自準直凹面光譜調(diào)制整形裝置的光束。由第一光闌6的孔徑發(fā)出的光束經(jīng)準直物鏡第二凹面反射鏡2后變成平行光束投向由光柵3構(gòu)成的色散系統(tǒng)，接著衍射光經(jīng)第三凹面反射鏡4成像在凹面光譜調(diào)制反射鏡5'上，至此構(gòu)成一個完整的CTSI光譜分解系統(tǒng)。CTSI光譜分解系統(tǒng)以光路順序表示為6-2-3-4-5'。自準直凹面光譜調(diào)制系統(tǒng)，凹面光譜調(diào)制反射鏡5'采用在凹面反射鏡上鍍制的高、低折 射率交替的微浮雕結(jié)構(gòu)多層介質(zhì)膜，多層介質(zhì)膜凹面光譜調(diào)制反射鏡可以做到在中心光譜附 近實現(xiàn)幅度凹陷而相位保持不變。光譜調(diào)制系統(tǒng)要求譜像面對于凹面光譜調(diào)制反射鏡5'表面 的最大偏離小于按瑞利(Rayliegh)準則導(dǎo)出的半焦深容限，在凹面光譜調(diào)制反射鏡5'表面的彌散斑直徑2dr'，或是在色散方向的彌散寬度a'小于確定的數(shù)值a。。凹面光譜調(diào)制反射鏡其反射光強分布則可調(diào)制到所需光譜分布結(jié)構(gòu)，如圖8所示曲線給出了在中心波長附近處進行 不同深度光譜調(diào)制的結(jié)果，圖8中，曲線1為輸入啁啾脈沖光譜分布；曲線2為光譜整形多 層介質(zhì)微浮雕結(jié)構(gòu)反射鏡的反射調(diào)制曲線；曲線3為整形后脈沖光譜分布。自準直凹面光譜調(diào)制CTSI光譜合成系統(tǒng)，經(jīng)凹面光譜調(diào)制反射鏡5'的調(diào)制反射光經(jīng)原路 返回，這樣的系統(tǒng)類似自準直成像系統(tǒng)和色散系統(tǒng)。其特點是結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。而且與利特 羅(Littrow)系統(tǒng)不同，反射光通過前面的CTSI光譜分解系統(tǒng)6-2-3-4-5'時，光線傳輸一致 成色散相減的系統(tǒng)。按光路順序描述如下來自凹面光譜調(diào)制反射鏡5'的調(diào)制反射光，經(jīng)原 路返回到第三凹面反射鏡4,準直到光柵3形成色散相減的結(jié)構(gòu)，光束平行入射到第二凹面 反射鏡2再聚焦到第一光闌6構(gòu)成一個完整的CTSI光譜合成系統(tǒng)；CTSI光譜合成系統(tǒng)以光 路順序表示為5'-4-3-2-6。 CTSI光譜合成系統(tǒng)合成后的光束從第一光闌6出射，經(jīng)第一凹 面反射鏡l變換為平行光束，完成光譜分解、調(diào)制及合成的啁啾脈沖通過l/4波片7后，偏 振旋轉(zhuǎn)90度，在第一分光棱鏡8處全反射到與第一分光棱鏡垂直的第二分光棱鏡9起偏，濾掉雜散光后，輸入到后級固體放大介質(zhì)0'中放大。由凹面光譜調(diào)制反射鏡5'反射的光經(jīng)經(jīng) 原路返回到第三凹面反射鏡4，成像到色散系統(tǒng)，呈自準直系統(tǒng)。由于光線經(jīng)原路返回中， 可以使剩余色散相減為零。通過自準直凹面光譜調(diào)制整形裝置調(diào)制后得到所需光譜分布結(jié)構(gòu)， 如圖9所示，在1053ran中心波長附近在保證相位不變的條件下，控制中心凹陷大小形狀程度， 相對幅度調(diào)制超過60%。本實施例中，所述的凹面光譜調(diào)制反射鏡5'可以替換為微鏡結(jié)構(gòu)凹面反射鏡；或凹面液 晶光閥；或前加變柵距光柵的凹面反射鏡；或前加液晶空間光調(diào)制器的凹面反射鏡；或微機 電薄膜凹面反射鏡MIMS;或連續(xù)變形凹面反射鏡；或Biraorph凹面變形鏡；或棱鏡/波導(dǎo)耦 合凹面反射鏡；或變柵距光柵凹面反射鏡使用，調(diào)制方法與本實例一樣，同樣可以實現(xiàn)啁啾 脈沖光譜調(diào)制和光譜整形目的，并得到所需光譜分布結(jié)構(gòu)。本實施例中，光柵3為可在大口徑大能量條件下工作的可逆反射式定向正一級平面閃耀 光柵；凹面光譜調(diào)制反射鏡為多層介質(zhì)膜微浮雕結(jié)構(gòu)的凹面光譜調(diào)制反射鏡；所有凹面反射 鏡均要嚴格消除色差、球差，彗差，使譜像面對于凹面光譜調(diào)制反射鏡表面的最大偏離小于 按瑞利準則導(dǎo)出的半焦深容限；第一光闌6為孔徑光闌，同時為入射光闌，也為出射光闌。按圖1所示的自準直凹面光譜調(diào)制整形裝置結(jié)構(gòu)的光路圖布置好光學(xué)元件，本裝置結(jié)構(gòu) 空間排布為CTSI光譜分解系統(tǒng)與由凹面光譜調(diào)制反射鏡5'反射后形成的CTSI光譜合成系統(tǒng) 的色散元件、反射鏡、光闌和它的幾何像的中心均置于垂直平面內(nèi)，即本發(fā)明裝置呈反射式 垂直成像光譜調(diào)制整形裝置結(jié)構(gòu)，如圖3和如圖6所示，裝置設(shè)計要求、結(jié)構(gòu)空間排布及元 件參數(shù)如表2所示實施例4:表2設(shè)計要求、結(jié)構(gòu)空間排布及元件參數(shù)設(shè)計要求、結(jié)構(gòu)空間排布入射光束口徑正常寬度 線色散分辨率 準直與成像物鏡焦距 相對孔徑取值光柵相對準直與成像物鏡距離光柵入射角為利特羅角光柵入射光束口徑光柵條紋密度光柵面工作通量可逆閃耀光柵3尺寸第一凹面反射鏡l:第二凹面反射鏡2:105. 3pm 0. l咖/mra 3000rnra66. 36385。 030咖 1740g/mm 0. 5J/cm2100mmX50mmX20mra 03OmmX4Onim,曲率半徑為0. 6m 0292咖X4Omm，曲率半徑為6m說明書第20/23頁第三凹面反射鏡4: 凹面光譜調(diào)制反射鏡5': 光譜調(diào)制反射鏡無剪切帶寬 孔徑光闌6:第一凹面反射鏡1離軸設(shè)置中心線夾角Z012水平投影 第一凹面反射鏡1離軸設(shè)置中心線夾角Z012垂直投影 第二凹面反射鏡2離軸設(shè)置中心線夾角Z123水平投影 第二凹面反射鏡2離軸設(shè)置中心線夾角Z123垂直投影 可逆閃耀光柵3入射光衍射光間中心線夾角Z234水平投影 可逆閃耀光柵3入射光衍射光間中心線夾角Z234垂直投影 第三凹面反射鏡4離軸設(shè)置中心線夾角Z345'水平投影 第三凹面反射鏡4離軸設(shè)置中心線夾角Z345'垂直投影 光譜調(diào)制反射鏡5'入射光衍射光中心線夾角Z45'4:0。 000292trnnX4Omm,曲率半徑為6m 440mmX100mmX40mm，曲率半徑為6m 24nm270. 89網(wǎng)8。 60 80 60132.7277。 608. 7335°自準直凹面光譜調(diào)制CTSI光譜分解系統(tǒng)，按光路順序描述如下來自CPA前端0的激光 光束經(jīng)第一分光棱鏡8起偏，以布魯斯特角入射的p光通過l/4波片7，再通過第一凹面反 射鏡1和第二凹面反射鏡2組成的像傳遞系統(tǒng)，在第一光闌6處聚焦，第一光闌成為本光譜 調(diào)制整形裝置的輸入孔徑光闌，光束經(jīng)第二凹面反射鏡2變換后為平行光束照射到光柵3面 上，構(gòu)成準直系統(tǒng)。由于采用激光照明這里用像傳遞系統(tǒng)第一光闌6代替了入射狹縫。對于 后面的系統(tǒng)而言，第一光闌6的孔徑成為替代的實際的光源，限制著進入自準直凹面光譜調(diào) 制整形裝置的光束。由第一光闌6的孔徑發(fā)出的光束經(jīng)準直物鏡第二凹面反射鏡2后變成平 行光束投向由光柵3構(gòu)成的色散系統(tǒng)，接著衍射光經(jīng)第三凹面反射鏡4成像在凹面光譜調(diào)制 反射鏡5'上，至此構(gòu)成一個完整的CTSI光譜分解系統(tǒng)。CTSI光譜分解系統(tǒng)以光路順序表示 為6-2-3-4-5'。自準直凹面光譜調(diào)制系統(tǒng)，凹面光譜調(diào)制反射鏡5'采用在凹面反射鏡上鍍制的高、低折 射率交替的微浮雕結(jié)構(gòu)多層介質(zhì)膜，多層介質(zhì)膜凹面光譜調(diào)制反射鏡可以做到在中心光譜附 近實現(xiàn)幅度凹陷而相位保持不變。光譜調(diào)制系統(tǒng)要求譜像面對于凹面光譜調(diào)制反射鏡5'表面 的最大偏離小于按瑞利(Rayliegh)準則導(dǎo)出的半焦深容限，在凹面光譜調(diào)制反射鏡5'表面的彌散斑直徑2dr'，或是在色散方向的彌散寬度a'小于確定的數(shù)值a。。凹面光譜調(diào)制反射鏡其反射光強分布則可調(diào)制到所需光譜分布結(jié)構(gòu)，如圖8所示曲線給出了在中心波長附近處進行 不同深度光譜調(diào)制的結(jié)果，圖8中，曲線1為輸入啁啾脈沖光譜分布；曲線2為光譜整形多 層介質(zhì)微浮雕結(jié)構(gòu)反射鏡的反射調(diào)制曲線；曲線3為整形后脈沖光譜分布。自準直凹面光譜調(diào)制CTSI光譜合成系統(tǒng)，經(jīng)凹面光譜調(diào)制反射鏡5'的調(diào)制反射光經(jīng)原路 返回，這樣的系統(tǒng)類似自準直成像系統(tǒng)和色散系統(tǒng)。其特點是結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。而且與利特 羅(Littrow)系統(tǒng)不同，反射光通過前面的CTSI光譜分解系統(tǒng)6-2-3-4-5'時，光線傳輸一致 成色散相減的系統(tǒng)。按光路順序描述如下來自凹面光譜調(diào)制反射鏡5'的調(diào)制反射光，經(jīng)原路返回到第三凹面反射鏡4，準直到光柵3形成色散相減的結(jié)構(gòu)，光束平行入射到第二凹面 反射鏡2再聚焦到第一光闌6構(gòu)成一個完整的CTSI光譜合成系統(tǒng)；CTSI光譜合成系統(tǒng)以光 路順序表示為5'-4-3-2-6。 CTSI光譜合成系統(tǒng)合成后的光束從第一光闌6出射，經(jīng)第一凹 面反射鏡1變換為平行光束，完成光譜分解、調(diào)制及合成的啁啾脈沖通過l/4波片7后，偏 振旋轉(zhuǎn)90度，在第一分光棱鏡8處全反射到與第一分光棱鏡垂直的第二分光棱鏡9起偏，濾 掉雜散光后，輸入到后級固體放大介質(zhì)0'中放大。由凹面光譜調(diào)制反射鏡5'反射的光經(jīng)經(jīng) 原路返回到第三凹面反射鏡4，成像到色散系統(tǒng)，呈自準直系統(tǒng)。由于光線經(jīng)原路返回中， 可以使剩余色散相減為零。通過自準直凹面光譜調(diào)制整形裝置調(diào)制后得到所需光譜分布結(jié)構(gòu)， 如圖9所示，在1053nm中心波長附近在保證相位不變的條件下，控制中心凹陷大小形狀程度， 相對幅度調(diào)制超過60%。本實施例中，所述的凹面光譜調(diào)制反射鏡5'可以替換為微鏡結(jié)構(gòu)凹面反射鏡；或凹面液 晶光閥；或前加變柵距光柵的凹面反射鏡；或前加液晶空間光調(diào)制器的凹面反射鏡；或微機 電薄膜凹面反射鏡MIMS;或連續(xù)變形凹面反射鏡；或Bimorph凹面變形鏡；或棱鏡/波導(dǎo)耦 合凹面反射鏡；或變柵距光柵凹面反射鏡使用，調(diào)制方法與本實例一樣，同樣可以實現(xiàn)啁啾 脈沖光譜調(diào)制和光譜整形目的，并得到所需光譜分布結(jié)構(gòu)。實施例5:本實施例中，光柵3為可在大口徑大能量條件下工作的可逆反射式定向負一級平面閃耀 光柵；凹面光譜調(diào)制反射鏡為多層介質(zhì)膜微浮雕結(jié)構(gòu)的凹面光譜調(diào)制反射鏡；所有凹面反射 鏡均要嚴格消除色差、球差，彗差，使譜像面對于凹面光譜調(diào)制反射鏡表面的最大偏離小于 按瑞利準則導(dǎo)出的半焦深容限；第一光闌6為孔徑光闌，同時為入射光闌，也為出射光闌。按圖1所示的自準直凹面光譜調(diào)制整形裝置結(jié)構(gòu)的光路圖布置好光學(xué)元件，本裝置結(jié)構(gòu) 空間排布為CTSI光譜分解系統(tǒng)與由凹面光譜調(diào)制反射鏡5'反射后形成的CTSI光譜合成系統(tǒng) 的色散元件、反射鏡、光闌和它的幾何像的中心均置于垂直平面內(nèi)，即本發(fā)明裝置呈反射式 垂直成像光譜調(diào)制整形裝置結(jié)構(gòu)，如圖3和如圖7所示，裝置設(shè)計要求、結(jié)構(gòu)空間排布及元 件參數(shù)如表2所示_表2設(shè)計要求、結(jié)構(gòu)空間排布及元件參數(shù)_設(shè)計要求、結(jié)構(gòu)空間排布_參數(shù)入射光束口徑 03咖正常寬度 105.3網(wǎng)線色散分辨率 0. lnm/mra準直與成像物鏡焦距 3000mm相對孔徑取值 1: 100光柵相對準直與成像物鏡距離 2550mm光柵入射角為利特羅角 66.36385°光柵入射光束口徑 030mm光柵條紋密度 1740g/mm光柵面工作通量 0.5J/cm2可逆閃耀光柵3尺寸 lOOramX 50 mm X 20mm第一凹面反射鏡1: 030咖X4Omm，曲率半徑為0. 6m第二凹面反射鏡2: 0292mmX4Omm，曲率半徑為6m第三凹面反射鏡4 : 0292mmX4O畫，曲率半徑為6m凹面光譜調(diào)制反射鏡5': 440mmX 100mmX40min，曲率半徑為6m光譜調(diào)制反射鏡無剪切帶寬 24nm孔徑光闌6: 270.89nm第一凹面反射鏡1離軸設(shè)置中心線夾角Z012水平投影 8。第一凹面反射鏡1離軸設(shè)置中心線夾角Z012垂直投影 6°第二凹面反射鏡2離軸設(shè)置中心線夾角Z123水平投影 8°第二凹面反射鏡2離軸設(shè)置中心線夾角Z123垂直投影 6°可逆閃耀光柵3入射光衍射光間中心線夾角Z234水平投影 0°可逆閃耀光柵3入射光衍射光間中心線夾角Z234垂直投影 6°第三凹面反射鏡4離軸設(shè)置中心線夾角Z345'水平投影 8. 7335°第三凹面反射鏡4離軸設(shè)置中心線夾角Z345'垂直投影 0°光譜調(diào)制反射鏡5'入射光衍射光中心線夾角Z45'4:_q:_自準直凹面光譜調(diào)制CTSI光譜分解系統(tǒng)，按光路順序描述如下來自CPA前端0的激光 光束經(jīng)第一分光棱鏡8起偏，以布魯斯特角入射的p光通過l/4波片7，再通過第一凹面反 射鏡1和第二凹面反射鏡2組成的像傳遞系統(tǒng)，在第一光闌6處聚焦，第一光闌成為本光譜 調(diào)制整形裝置的輸入孔徑光闌，光束經(jīng)第二凹面反射鏡2變換后為平行光束照射到光柵3面 上，構(gòu)成準直系統(tǒng)。由于采用激光照明這里用像傳遞系統(tǒng)第一光闌6代替了入射狹縫。對于 后面的系統(tǒng)而言，第一光闌6的孔徑成為替代的實際的光源，限制著進入自準直凹面光譜調(diào) 制整形裝置的光束。由第一光闌6的孔徑發(fā)出的光束經(jīng)準直物鏡第二凹面反射鏡2后變成平 行光束投向由光柵3構(gòu)成的色散系統(tǒng)，接著衍射光經(jīng)第三凹面反射鏡4成像在凹面光譜調(diào)制 反射鏡5'上，至此構(gòu)成一個完整的CTSI光譜分解系統(tǒng)。CTSI光譜分解系統(tǒng)以光路順序表示 為6-2-3-4-5'。自準直凹面光譜調(diào)制系統(tǒng)，凹面光譜調(diào)制反射鏡5'采用在凹面反射鏡上鍍制的高、低折 射率交替的微浮雕結(jié)構(gòu)多層介質(zhì)膜，多層介質(zhì)膜凹面光譜調(diào)制反射鏡可以做到在中心光譜附 近實現(xiàn)幅度凹陷而相位保持不變。光譜調(diào)制系統(tǒng)要求譜像面對于凹面光譜調(diào)制反射鏡5'表面 的最大偏離小于按瑞利(Rayliegh)準則導(dǎo)出的半焦深容限，在凹面光譜調(diào)制反射鏡5'表面的彌散斑直徑2dr'，或是在色散方向的彌散寬度a'小于確定的數(shù)值"。。凹面光譜調(diào)制反射鏡其反射光強分布則可調(diào)制到所需光譜分布結(jié)構(gòu)，如圖8所示曲線給出了在中心波長附近處進行 不同深度光譜調(diào)制的結(jié)果，圖8中，曲線l為輸入啁啾脈沖光譜分布；曲線2為光譜整形多層介質(zhì)微浮雕結(jié)構(gòu)反射鏡的反射調(diào)制曲線；曲線3為整形后脈沖光譜分布。自準直凹面光譜調(diào)制CTSI光譜合成系統(tǒng)，經(jīng)凹面光譜調(diào)制反射鏡5'的調(diào)制反射光經(jīng)原路 返回，這樣的系統(tǒng)類似自準直成像系統(tǒng)和色散系統(tǒng)。其特點是結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。而且與利特 羅(Littrow)系統(tǒng)不同，反射光通過前面的CTSI光譜分解系統(tǒng)6-2-3-4-5'時，光線傳輸一致 成色散相減的系統(tǒng)。按光路順序描述如下來自凹面光譜調(diào)制反射鏡5'的調(diào)制反射光，經(jīng)原 路返回到第三凹面反射鏡4，準直到光柵3形成色散相減的結(jié)構(gòu)，光束平行入射到第二凹面 反射鏡2再聚焦到第一光闌6構(gòu)成一個完整的CTSI光譜合成系統(tǒng)；CTSI光譜合成系統(tǒng)以光 路順序表示為5'-4-3-2-6。 CTSI光譜合成系統(tǒng)合成后的光束從第一光闌6出射，經(jīng)第一凹 面反射鏡1變換為平行光束，完成光譜分解、調(diào)制及合成的啁啾脈沖通過1/4波片7后，偏 振旋轉(zhuǎn)90度，在第一分光棱鏡8處全反射到與第一分光棱鏡垂直的第二分光棱鏡9起偏，濾 掉雜散光后，輸入到后級固體放大介質(zhì)0'中放大。由凹面光譜調(diào)制反射鏡5'反射的光經(jīng)經(jīng) 原路返回到第三凹面反射鏡4，成像到色散系統(tǒng)，呈自準直系統(tǒng)。由于光線經(jīng)原路返回中， 可以使剩余色散相減為零。通過自準直凹面光譜調(diào)制整形裝置調(diào)制后得到所需光譜分布結(jié)構(gòu)， 如圖9所示，在1053nm中心波長附近在保證相位不變的條件下，控制中心凹陷大小形狀程度， 相對幅度調(diào)制超過60%。本實施例中，所述的凹面光譜調(diào)制反射鏡5'可以替換為微鏡結(jié)構(gòu)凹面反射鏡；或凹面液 晶光閥；或前加變柵距光柵的凹面反射鏡；或前加液晶空間光調(diào)制器的凹面反射鏡；或微機 電薄膜凹面反射鏡MIMS;或連續(xù)變形凹面反射鏡；或Bimorph凹面變形鏡；或棱鏡/波導(dǎo)耦 合凹面反射鏡；或變柵距光柵凹面反射鏡使用，調(diào)制方法與本實例一樣，同樣可以實現(xiàn)啁啾 脈沖光譜調(diào)制和光譜整形目的，并得到所需光譜分布結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種用于啁啾脈沖放大的自準直凹面調(diào)制光譜調(diào)制整形裝置，其特征在于，按照設(shè)計光路順序描述包括第一分光棱鏡(8)，第二分光棱鏡(9)，和1/4波片(7)；包括由第一凹面反射鏡(1)，第一光闌(6)和第二凹面反射鏡(2)構(gòu)成照明系統(tǒng)；進一步包括由第一光闌(6)，第二凹面反射鏡(2)，光柵(3)，第三凹面反射鏡(4)及凹面光譜調(diào)制反射鏡(5′)構(gòu)成的CTSI光譜分解系統(tǒng)；由凹面光譜調(diào)制反射鏡(5′)構(gòu)成的光譜調(diào)制系統(tǒng)；由凹面光譜調(diào)制反射鏡(5′)，第三凹面反射鏡(4)，光柵(3)，第二凹面反射鏡(2)及第一光闌(6)構(gòu)成的CTSI光譜合成系統(tǒng)；來自CPA前端(0)的激光光束經(jīng)第一分光棱鏡起偏，通過1/4波片及第一凹面反射鏡，經(jīng)第一凹面反射鏡變?yōu)槠叫泄馐?，通過上述光譜分解系統(tǒng)，光譜調(diào)制系統(tǒng)及光譜合成系統(tǒng)完成光譜分解、光譜調(diào)制及光譜合成的啁啾脈沖通過1/4波片后，偏振旋轉(zhuǎn)90度，在第一分光棱鏡處全反射到第二分光棱鏡起偏，然后輸入到后級固體放大介質(zhì)(0′)中放大。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自準直凹面光譜調(diào)制整形裝置，其特征在于，所述光柵(3)采 用可逆反射式定向平面閃耀光柵。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的自準直凹面光譜調(diào)制整形裝置，其特征在于，所述凹面反射鏡 均要求在整個工作波段內(nèi)嚴格消除色差、球差，彗差，像散和場曲，使譜像面對于凹面光譜 調(diào)制反射鏡表面的最大偏離小于按瑞利準則導(dǎo)出的半焦深容限。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的自準直凹面光譜調(diào)制整形裝置，其特征在于，所述由凹面光譜 調(diào)制反射鏡(5')反射經(jīng)原路返回構(gòu)成自準直光路系統(tǒng)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的自準直凹面光譜調(diào)制整形裝置，其特征在于，所述光學(xué)元件全 部選用相對色散元件成對稱型的成像系統(tǒng)，或者相對色散元件成不對稱補償像差的成像系統(tǒng)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自準直凹面光譜調(diào)制整形裝置，其特征在于，所述第一光闌(6) 為實共焦望遠鏡像傳遞照明系統(tǒng)的光闌；所述照明系統(tǒng)在保證正常寬度要求的相干同相入射 的條件下，不改變來自CPA前端的激光束的時間和空間分布，與色散系統(tǒng)和成像系統(tǒng)的相對 孔徑匹配，且保證通光口徑能充滿色散系統(tǒng)的口徑；同時第一光闌(6)采用孔徑光闌，應(yīng)滿足 孔徑的正常寬度fl。條件，或滿足CTSI光譜分解系統(tǒng)和CTSI光譜合成系統(tǒng)能達到衍射半寬度fl。條件，同時應(yīng)滿足通過激光啁啾脈沖帶寬內(nèi)所有頻譜的光。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的自準直凹面光譜調(diào)制整形裝置，其特征在于，所述凹面光譜調(diào) 制反射鏡(5)采用多層介質(zhì)膜微浮雕結(jié)構(gòu)的凹面光譜調(diào)制反射鏡；或微鏡結(jié)構(gòu)凹面反射鏡；或凹面液晶光閥；或前加變柵距光柵的凹面反射鏡；或前加液晶空間光調(diào)制器的凹面反射鏡； 或微機電薄膜凹面反射鏡MIMS;或連續(xù)變形凹面反射鏡；或Bimorph凹面變形鏡；或棱鏡/ 波導(dǎo)耦合凹面反射鏡；或變柵距光柵凹面反射鏡。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的自準直凹面光譜調(diào)制整形裝置，其特征在于，所述第一分光棱 鏡(8)與第二分光棱鏡(9)位置相互垂直。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的自準直凹面光譜調(diào)制整形裝置，其特征在于，所述CTSI光譜 分解系統(tǒng)和CTSI光譜合成系統(tǒng)中的凹面反射鏡相對色散元件呈反射式水平成像光譜系統(tǒng)，或 呈反射式垂直成像光譜系統(tǒng)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的自準直凹面光譜調(diào)制整形裝置，其特征在于，所述CTSI光譜 分解系統(tǒng)與CTSI光譜合成系統(tǒng)相對光譜調(diào)制反射鏡呈反射式水平成像光譜調(diào)制系統(tǒng)，或呈反 射式垂直成像光譜調(diào)制系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于啁啾脈沖放大(CPA)系統(tǒng)的自準直凹面調(diào)制光譜調(diào)制整形裝置。包括自準直凹面調(diào)制CTSI光譜分解系統(tǒng)，CTSI光譜合成系統(tǒng)和凹面光譜調(diào)制反射鏡構(gòu)成的光譜調(diào)制系統(tǒng)；利用CTSI光譜分解系統(tǒng)先將激光啁啾脈沖完全真實展開到光譜面，再利用光譜調(diào)制系統(tǒng)在像平面上進行光譜調(diào)制，然后利用CTSI光譜合成系統(tǒng)將調(diào)制后的光譜無畸變的還原為調(diào)制后的啁啾脈沖，達到光譜調(diào)制整形目的。本發(fā)明采用自準直調(diào)制系統(tǒng)經(jīng)原路返回，所用光學(xué)元件少，具有結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間少，價格較低，穩(wěn)定性強等特點；本發(fā)明可對一般激光脈沖實現(xiàn)光譜調(diào)制和光譜整形，尤其適用于幾個納米帶寬的大口徑大能量高功率CPA系統(tǒng)。
文檔編號H01S3/10GK101231383SQ20081003388
公開日2008年7月30日 申請日期2008年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月26日
發(fā)明者彬 張, 戴亞平, 銘 李, 韜 王, 范正修 申請人:上海激光等離子體研究所