一种单光束动态聚焦方法技术

本发明专利技术涉及一种单光束动态聚焦方法，属于激光设备技术领域，包括由激光源发射激光脉冲，所述激光脉冲经过全息光栅聚焦到靶丸，所述激光脉冲的波长呈增大趋势变化，且所述波长的变化范围与靶丸压缩变化过程中焦斑尺寸变化匹配，本发明专利技术通过全息光栅对激光脉冲同时实现聚焦、色分离和动态聚焦的功能，所需光学元件少，实现功能多，与传统的组束动态聚焦方法相比，本发明专利技术产生不同尺寸焦斑的数量更多，焦斑的变化过程与靶丸压缩变化过程更加匹配，具有易于操作、可实现化程度高的特点，不存在短脉冲放大饱和降低激光系统输出能力的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于激光设备
，具体地说涉及一种单光束动态聚焦方法。
技术介绍
在激光惯性约束聚变的直接驱动方式中，激光直接辐照在靶丸上，靶丸在内爆过程中不断压缩变小，激光束初始形成的焦斑与压缩后的靶丸不再匹配，能量从靶丸边缘流失。此外，在直接驱动中，靶丸上焦斑的交叉重叠会激发离子声波，使得光束能量通过离子声波从当前束转移到邻近束，破坏内爆对称性。一般来说，不同的靶设计对焦斑尺寸的要求是不同的。例如，NIF装置(国家点火装置)采用的靶丸直径约2018μm，压缩过程的焦斑直径约1710μm，而点火的焦斑直径约800μm，焦斑尺寸在压缩过程中需减小约53％；罗彻斯特大学Omega钕玻璃激光装置采用的靶丸直径约930μm，压缩过程的焦斑直径约700μm，点火采用长短轴直径分别为288μm与212μm的椭圆焦斑，焦斑尺寸需减小约64％。一般来说，在靶丸辐照初期，焦斑直径约为靶丸直径的0.9倍，具有较好的辐照均匀性，随着压缩过程产生等离子体，焦斑直径约为靶丸直径的0.7～0.5倍，具有较高的吸收效率且满足辐照均匀性要求。目前，实现动态聚焦的方法均是采用组束的方式。激光装置将一个集束分为多束光，每束光有各自的激光脉冲和焦斑形态，在靶丸压缩过程中随时间打开或关闭每束光，逐步减小焦斑尺寸，实现动态聚焦。然而，组束动态聚焦为了实现与单脉冲压缩相似的效果，必须要对不同时刻出射的脉冲光束进行精密的时间控制。另外，组束动态聚焦是由各个很短的子脉冲在时间上拼接而成，而装置放大器在单位时间内对能量的提取效率有限，短脉冲放大将大大降低装置的输出能力。因此，在靶丸压缩过程中逐渐减小焦斑尺寸，即实现动态聚焦，对提高流体力学稳定性和束靶耦合效率具有重要意义。
技术实现思路
针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种所需光学元件少、实现功能多、易于操作、可实现化程度高、不存在短脉冲放大饱和降低激光系统输出能力的单光束动态聚焦方法。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种单光束动态聚焦方法，包括由激光源发射激光脉冲，所述激光脉冲经过全息光栅聚焦到靶丸，所述激光脉冲的波长呈增大趋势变化，且所述波长的变化范围与靶丸压缩变化过程中焦斑尺寸变化匹配。进一步，所述激光源与全息光栅设置为同光轴结构，所述激光脉冲的波长为λ，所述λ由λ1增大到λ2，且0.5nm≤λ2-λ1≤1.5nm。进一步，所述激光源处设置位相调制器，所述靶丸的压缩变化时间为n，则所述位相调制器对波长的调制频率为进一步，所述全息光栅的制作过程包括以下步骤：(1)选用熔石英作为基底，在基底上均匀涂上光刻胶；(2)采用波长均为λ0的平行光和点光源在光刻胶表面干涉，且λ0为所述激光脉冲的中心波长，经过显影刻蚀操作，完成全息光栅的记录过程，且λ1≤λ0≤λ2；(3)将波长为λ的激光脉冲从全息光栅的背面入射，当λ＝λ0时，在所述点光源位置出现与其相同的像点，当λ≠λ0时，所述激光脉冲在不同的焦距处聚焦成像点，且其中，f0为所述点光源与全息光栅中心的距离，其与激光脉冲的光束口径、光束空间排布匹配，f为激光脉冲的像点与全息光栅中心的距离。进一步，所述点光源设置为离轴结构，其离轴角度θ为10-20°。进一步，当λ＝λ1时，波长为λ1的激光脉冲的像点与全息光栅中心的距离为f1，则当λ＝λ2时，波长为λ2的激光脉冲的像点与全息光栅中心的距离为f2，则则激光脉冲的波长从λ1增大到λ2产生的相对变焦量Δf为：Δf=λ0×f0λ1-λ0×f0λ2=(1λ1-1λ2)×λ0×f0.]]>进一步，所述波长为λ的激光脉冲在靶丸形成的焦斑尺寸为d，其在焦点形成的焦斑尺寸为d′，所述d与d′的关系表达式为：且则简化得：根据靶丸压缩变化过程中对焦斑尺寸的变化要求，求得λ，其中，D为全息光栅的有效通光口径。进一步，所述激光脉冲的波长从λ1增大到λ2产生的理论最大波前变化为ΔL，则进一步，沿着激光脉冲的传输方向，所述全息光栅的一侧设置有波前探测器，所述波前探测器与全息光栅中心的距离为S，且S＝f2，所述波前探测器对焦斑的实际波前变化进行测量。进一步，所述实际波前变化的最大值为L，将L与ΔL进行对比，若ΔL-0.02μm≤L≤ΔL+0.02μm，说明焦斑的实际波前变化与理论波前变化一致，靶丸处焦斑实现动态聚焦，并且所述焦斑的动态聚焦过程与靶丸压缩变化过程匹配。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术中激光脉冲通过全息光栅聚焦到靶丸上，全息光栅对激光脉冲可以同时实现聚焦、色分离和动态聚焦的功能，所需光学元件少，实现功能多。2、本专利技术中激光脉冲的波长由短变长，促使焦斑的尺寸随着波长变化而减小，与传统的组束动态聚焦方法相比，本专利技术产生不同尺寸焦斑的数量更多，焦斑的变化过程与靶丸压缩变化过程更加匹配。3、本方法采用单光束动态聚焦，避免了组束动态聚焦对各子脉冲精密的时间控制问题，具有易于操作、可实现化程度高的特点。4、本专利技术中激光脉冲不是由子脉冲拼接而成，不存在短脉冲放大饱和降低激光系统输出能力的问题。附图说明图1是本专利技术的整体结构示意图；图2为本专利技术实施例中，实际波前变化与波长的关系图一；图3为本专利技术实施例中，实际波前变化与波长的关系图二；图4为本专利技术实施例中，实际波前变化与波长的关系图三；其中，图2-4中的横坐标表示波长，单位为nm，其纵坐标表示波前峰谷值，单位为μm。附图中：激光源1、透镜2、全息光栅3、波前探测器4、激光脉冲5、位相调制器6。具体实施方式为了使本领域的人员更好地理解本专利技术的技术方案，下面结合本专利技术的附图，对本专利技术的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。实施例一：如图1所示，一种单光束动态聚焦方法，包括由激光源1发射激光脉冲5，所述激光脉冲5经过透镜2扩束成平行光，通过全息光栅3将平行光聚焦到靶丸，实现动态聚焦过程，所述激光源1、透镜2和全息光栅3设置为同光轴结构，采用单光束动态聚焦，避免了组束动态聚焦对各子脉冲精密的时间控制问题，易于操作，可实现化程度高，同时，激光脉冲5不是由子脉冲拼接而成，不存在短脉冲放大饱和降低激光系统输出能力的问题。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单光束动态聚焦方法，其特征在于：由激光源发射激光脉冲，所述激光脉冲经过全息光栅聚焦到靶丸，所述激光脉冲的波长呈增大趋势变化，且所述波长的变化范围与靶丸压缩变化过程中焦斑尺寸变化匹配。

【技术特征摘要】
1.一种单光束动态聚焦方法，其特征在于：由激光源发射激光脉冲，所述
激光脉冲经过全息光栅聚焦到靶丸，所述激光脉冲的波长呈增大趋势变化，且
所述波长的变化范围与靶丸压缩变化过程中焦斑尺寸变化匹配。
2.根据权利要求1所述的一种单光束动态聚焦方法，其特征在于：所述激
光源与全息光栅设置为同光轴结构，所述激光脉冲的波长为λ，所述λ由λ1增大到
λ2，且0.5nm≤λ2-λ1≤1.5nm。
3.根据权利要求2所述的一种单光束动态聚焦方法，其特征在于：所述激
光源处设置位相调制器，所述靶丸的压缩变化时间为n，则所述位相调制器对波
长的调制频率为4.根据权利要求3所述的一种单光束动态聚焦方法，其特征在于：所述全
息光栅的制作过程包括以下步骤：
(1)选用熔石英作为基底，在基底上均匀涂上光刻胶；
(2)采用波长均为λ0的平行光和点光源在光刻胶表面干涉，且λ0为所述激光
脉冲的中心波长，经过显影刻蚀操作，完成全息光栅的记录过程，且λ1≤λ0≤λ2；
(3)将波长为λ的激光脉冲从全息光栅的背面入射，当λ＝λ0时，在所述点光
源位置出现与其相同的像点，当λ≠λ0时，所述激光脉冲在不同的焦距处聚焦成
像点，且其中，f0为所述点光源与全息光栅中心的距离，其与激光脉
冲的光束口径、光束空间排布匹配，f为激光脉冲的像点与全息光栅中心的距离。
5.根据权利要求4所述的一种单光束动态聚焦方法，其特征在于：所述点
光源设置为离轴结构，其离轴角度θ为10-20°。
6.根据权利要求5所述的一种单光束动态聚焦方法，其特征在于：当λ＝...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄小霞，袁强，胡东霞，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院激光聚变研究中心，
类型：发明
国别省市：四川;51