一种避免透镜紫外激光损伤的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种避免透镜紫外激光损伤的装置及方法，激光器产生的基频光经倍频晶体倍频，倍频光和剩余的基频光直接经聚焦透镜聚焦，在光束会聚的过程中通过拼接晶体和频产生紫外激光，从而避免了熔石英透镜的紫外激光辐照。所述方法主要解决了紫外激光辐照下熔石英透镜容易损伤的问题，聚焦透镜只经受基频光和倍频光辐照，相比于紫外激光辐照，其损伤阈值得以大幅提高，从而得以进一步提升激光驱动器的负载能力，聚焦透镜的材质也得以扩展，可以利用紫外波段透过率低，但制造成本更低、工艺更成熟的K9玻璃代替熔石英。本发明专利技术在惯性约束聚变激光驱动器以及高能量激光三倍频领域具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种避免透镜紫外激光损伤的装置及方法
本专利技术涉及一种避免透镜紫外激光损伤的装置及方法，特别是涉及到激光光束口径大且能量密度高时的激光三倍频频率转换领域以及激光损伤领域，如惯性约束聚变驱动器领域

技术介绍
在当前的惯性约束激光驱动器中，基频激光经倍频晶体、和频晶体之后产生的高能量紫外激光必须经熔石英聚透镜聚焦打靶。紫外激光的能量高至兆焦耳，熔石英聚焦透镜极易发生紫外激光辐照损伤的问题限制了激光驱动器能量的进一步提升，成为工程应用中的瓶颈。当前，在不降低输出紫外激光能量的前提下，避免熔石英聚焦透镜激光损伤的方法通常是提高熔石英熔炼、加工质量，或通过激光预处理提升熔石英透镜的损伤阈值。但是这些方法的提升幅度有限，仍然无法满足工程指标要求。中国专利文件201520036031.2，公开了一种四倍频激光终端光学系统，组成包括：二倍频晶体、基频吸收玻璃、聚焦透镜、真空窗口、四倍频晶体和屏蔽片。本技术利用了非临界相位匹配技术对光束发散角不敏感的特点，将四倍频晶体放在聚焦透镜后，不仅保证四倍频激光的转换效率不受影响，而且能够减少紫外段光学元件的数量和厚度，缓解紫外段光学元件的严重损伤。但是该专利所采用的非临界相位匹配技术需要精准、复杂的温控系统，由于激光驱动器所用晶体口径大，为防止空气对流影响温控效果，还需要真空环境，这大大增加了工程难度。中国专利文件201410546550.3，公开了一种非线性光学
的非共线高效率频率转换实现方法，通过将呈一定角度的基频光和倍频光先经过一个聚焦透镜进行预聚焦，然后再经过非线性光学晶体，从而使得产生的三倍频光自动聚焦。本专利技术采用基频光、倍频光预聚焦的方法，解决了现有技术方案中聚焦透镜易于被紫外波段的谐波损坏的问题，避免了更换聚焦透镜后重新调整光路的步骤。但是该专利技术只适用于小口径激光，并不适用于激光驱动器。原因是非共线相位匹配要求基频光和倍频光呈一定角度入射晶体，需要基频光和倍频光空间分离，相对于传统的共线相位匹配，光路数加倍且有距离要求，这会大大增加靶场光束排布的难度；而且光束交叠处因透镜会聚作用而光斑面积缩小、能量密度增加，容易造成晶体损伤；且该文件同样存在大口径晶体非临界相位匹配温控的问题。
技术实现思路
针对现有技术的不足，为了避免熔石英透镜的紫外激光损伤问题，大幅提升惯性约束聚变激光驱动器的负载能力，本专利技术提出了一种新的三倍频构型方案。本专利技术的技术方案如下：一种避免透镜紫外激光损伤的装置，包括沿光路设置的倍频晶体、聚焦透镜和和频晶体，和频晶体包括拼接的子晶体，倍频晶体用于对基频光的倍频；聚焦透镜用于聚焦倍频光束和剩余的基频光束；拼接的和频晶体用于基频光和倍频光和频产生紫外激光。根据本专利技术优选的，所述和频晶体的子晶体一侧设有蓝宝石衬底，蓝宝石衬底用于拼接的子晶体的固定。根据本专利技术优选的，和频晶体为LBO晶体。根据本专利技术优选的，聚焦透镜的材料为K9玻璃或熔石英，聚焦透镜表面镀有对1053nm和526.5nm激光的增透膜。相比于先和频再聚焦打靶的传统构型，本专利技术提出的新的三倍频构型方案中，三倍频晶体置于聚焦透镜之后，倍频晶体产生的倍频光和剩余的基频光经聚焦透镜聚焦，在光束的会聚过程中实现激光合频。会聚光束的发散角较大，因此采用相位匹配接受角较大的LBO晶体代替传统构型中的KDP/DKDP晶体作为和频晶体。单块LBO晶体在θ方向的接受角仍不能满足如此大发散角的会聚光束的相位匹配要求，因此本专利技术提出利用不同切割角度LBO晶体的拼接技术来实现高效三倍频。一种避免透镜紫外激光损伤的方法，包括步骤如下：(1)沿基频光光路设置倍频晶体、聚焦透镜和和频晶体，和频晶体为拼接在一起的子晶体；(2)根据会聚光束的发散角和和频晶体在θ方向上的接受角(不同的接受角对应不同的转换效率)确定和频晶体的子晶体拼接块数；(3)将和频晶体的子晶体拼接固定于蓝宝石衬底上。根据本专利技术优选的，步骤(2)中，和频晶体的子晶体拼接块数由公式(Ⅰ)获得。进一步优选的，步骤(2)中，当公式(Ⅰ)不能整除时，子晶体的拼接块数进行进位取整。进一步优选的，步骤(2)中，会聚光束的发散角根据光束口径和聚焦透镜的焦距获得，通过公式(Ⅱ)反正切运算获得：会聚光束的发散角＝2×arctan(激光光束半径/聚焦透镜焦距)(Ⅱ)。根据本专利技术优选的，步骤(3)中，和频晶体的子晶体之间、子晶体与蓝宝石衬底之间均为光胶连接。以实现多块晶体之间的平整、无缝拼接，减少能量损耗。另外，由于晶体偏薄，通过光胶连接衬底有利于晶体的稳定夹持。在和频晶体厚度一定的情况下，会聚激光三倍频转换效率的高低(相对于平行光束入射的三倍频转换效率而言)对应LBO晶体内部不同的接受角度，转换效率越高，晶体内部允许的接受角度越小。考虑到晶体的折射效应，晶体外部的接受角约为内部接受角的1.6倍。LBO晶体在方向的接收角高达100mrad，因此在方向上一块晶体即可满足相位匹配，但考虑到晶体生长尺寸的限制，在大口径激光应用中该方向仍然需要拼接。进一步优选的，步骤(2)中，拼接的子晶体中间一块子晶体的切割角度为20℃条件下的平行光束入射时三倍频切割角θm＝44.7°，进一步优选的，步骤(2)中，在θ方向上，相邻两个子晶体之间的切割角度差为公式(Ⅲ)所示：相邻两个子晶体之间的切割角度差＝会聚光束的发散角/晶体的拼接块数(Ⅲ)。进一步优选的，步骤(2)中，在θ方向上，从中间的一个子晶体依次往上，切割角θ越来越大，依次往下，切割角θ越来越小；在方向上，所有子晶体的切割角均为90°。各拼接晶体的切割角度不同，以满足会聚光束入射的相位匹配条件。本专利技术的有益效果在于：本专利技术采用共线、临界相位匹配技术实现会聚光束三倍频，不增加光路，不需要温控。采用切割角度不同的晶体，通过晶体拼接技术满足大口径会聚光束的相位匹配要求，实现会聚光束高效三倍频，避免聚焦透镜的紫外激光辐照，大幅提高惯性约束聚变中激光驱动器的负载能力。相比于传统的合频之后再聚焦打靶，本专利技术提出的新构型不仅可以避免熔石英聚焦透镜的紫外激光辐照，提高惯性约束聚变中激光驱动器的负载能力，保护熔石英聚焦透镜，而且聚焦透镜的材质也得以扩展，可以利用紫外波段透过率低，但制造成本更低、工艺更成熟的K9玻璃代替熔石英，具有较低的成本意识和较强的适应推广优势。附图说明图1是本专利技术一种避免透镜紫外激光损伤的装置的结构示意图；图2是本专利技术和频晶体拼接结构示意图；图2以九块子晶体为例，九块子晶体拼接实现会聚光束三倍频这一新构型的装置；图3为本专利技术和频晶体转换效率与晶体的接受角的对应关系图；图1中1为倍频晶体、2为聚焦透镜、3为拼接的和频晶体、4为蓝宝石衬底；图2中的A1、A2，B1、B2及C1、C2为不同切割角度的拼接子晶体。具体实施方式下面通过实施例并结合附图对本专利技术做进一步说明，但不限于此。实施例1：一种避免透镜紫外激光损伤的装置，包括沿光路设置的倍频晶体、聚焦透镜和和频晶体，和频晶体包括拼接的子晶体，倍频晶体用于对基频光的倍频；聚焦透镜用于聚焦倍频光束和剩余的基频光束；拼接的和频晶体用于基频光和倍频光和频产生紫外激光；和频晶体的子晶体一侧设有蓝宝石衬底，蓝宝石衬底用于拼接的子晶体的固定，和频晶体为LBO晶体，如图1所示。基频光经本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种避免透镜紫外激光损伤的装置，其特征在于，包括沿光路设置的倍频晶体、聚焦透镜和和频晶体，和频晶体包括拼接的子晶体，倍频晶体用于对基频光的倍频；聚焦透镜用于聚焦倍频光束和剩余的基频光束；拼接的和频晶体用于基频光和倍频光和频产生紫外激光。

【技术特征摘要】
1.一种避免透镜紫外激光损伤的装置，其特征在于，包括沿光路设置的倍频晶体、聚焦透镜和和频晶体，和频晶体包括拼接的子晶体，倍频晶体用于对基频光的倍频；聚焦透镜用于聚焦倍频光束和剩余的基频光束；拼接的和频晶体用于基频光和倍频光和频产生紫外激光。2.根据权利要求1所述的避免透镜紫外激光损伤的装置，其特征在于，所述和频晶体的子晶体一侧设有蓝宝石衬底，蓝宝石衬底用于拼接的子晶体的固定。3.根据权利要求1所述的避免透镜紫外激光损伤的装置，其特征在于，和频晶体为LBO晶体；优选的，聚焦透镜的材料为K9玻璃或熔石英，聚焦透镜表面镀有对1053nm和526.5nm激光的增透膜。4.一种避免透镜紫外激光损伤的方法，其特征在于，包括步骤如下：(1)沿基频光光路设置倍频晶体、聚焦透镜和和频晶体，和频晶体为拼接在一起的子晶体；(2)根据会聚光束的发散角和和频晶体在θ方向上的接受角确定和频晶体的子晶体拼接块数；(3)将和频晶体的子晶体拼接固定于蓝宝石衬底上。5.根据权利要求4所述的避免透镜紫外激光损伤的方法，其特征在于，步骤(2)中，和频晶体的子晶体拼接块数由公式(Ⅰ)获得：优选的，步骤(2)中，当公式(Ⅰ)...

【专利技术属性】
技术研发人员：程文雍，王军华，杨厚文，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37