提高大光斑激光系统焦斑功率密度的装置 【技术领域】
本发明涉及自适应光学和激光技术，特别涉及一种提高大光斑激光系统焦斑功率密度的装置，适用于小口径变形镜提升大光斑激光系统焦斑功率密度的方法。
背景技术
超短超强激光科学以超短超强激光技术的发展，超短超强激光与物质的相互作用，以及在交叉学科和相关高技术领域中的前沿基础研究为研究对象，是重要的科学前沿领域，是实现极端物理条件，进而揭示物质本质的基础。
自二十世纪八十年代中期以来，高功率超短脉冲激光技术得到了飞速发展，包括我国在内的世界各科技大国相继建立了大型的高功率超短脉冲激光装置。超短超强激光以超高功率密度而著称，而提升靶面峰值功率密度始终是这一领域最主要的追求目标之一，因而其可聚焦的功率密度是超短超强激光系统中人们最主要的关注指标。为提升聚焦功率密度，在系统确定峰值功率的情况下，通过提高光束波前质量以达到减小焦斑尺度，从而提高聚焦功率密度是一种有效而经济的手段。但在实际的高功率激光系统中，由于放大过程中放大介质所存在的温度梯度效应、非线性效应及众多光学元件的像差等因素，导致动态和静态畸变，使得放大后的激光光束波前不再是理想平面。在聚焦时，导致焦斑尺度大、斯特利尔比值(Strehl ratio)低，从而导致激光能量不能有效地会聚。特别随着激光能量的不断增大、放大级次的不断增多，装置规模的不断升级，这些效应导致的畸变会越来越严重，最终使激光的高能量不能在实验研究中得到有效应用。由此，无论从那方面考虑，改善超短超强激光系统的输出波前质量都显得尤为重要。利用自适应光学原理改善波前质量是当前这一领域的最主要手段。
自适应光学改善波前的主要原理可概述如下：利用波前测量装置，如波前剪切干涉仪或S-H波前测量仪，探测激光系统的输出波前相位分布，所得的波前相位分布与理想波前相位分布做比较，二者差值就是畸变量。控制系统根据畸变量的大小，将所需的电压加到变形镜压电陶瓷的各个电极上，通过不同电极电压的正负和大小以改变变形镜的面形，从而使得变形镜反射激光波前相位发生相应的变化，变化后的波前相位再一次被探测，作为下一次控制变形镜的依据。这样，以理想波前为目标实现对输出实际波前相位的逐步改善，以此循环逼近，最终实现波前校正。必须强调的是，为实现变形镜良好的波前相位补偿目的，在这一反馈校正环路中，变形镜变形的依据一定是其表面波前相位的准确测量，因此，在现有的校正技术中必然要求变形镜和波前测量仪满足物像共轭关系。其典型光路布置如图1所示，图1涵盖了过去最常用的两种环路校正方式。图1所示的传统校正方法略做说明。图1校正系统包括激光源1、变形镜2、全反镜3、缩束透镜组4和5、波前测量仪6、离轴抛物镜9，还包括波前测量仪6的探测口径7、探测器平面(CCD阵列)8(注：该平面在波前测量仪外壳有白线标记)，离轴抛物镜9的焦点(激光系统靶点)10，计算机11。
图1中给出的校正方法之一：为校正有畸变的波前1，先对反射镜3后的漏光经缩束系统4和5缩束到适合波前测量仪6探测口径7大小的光斑，波前测量仪6置于缩束系统中恰当的位置，以保证探测器平面(CCD阵列)8和变形镜2的共轭成像平面位置重合，则图像探测器就能接收到变形镜2的一个清晰聚焦像，此时所测像波前即等价于变形镜2表面的光波波前。通过计算机11的反馈控制软件，此波前和理想参考波前(一般为平面波前)差值作为控制变形镜的依据，通过不同电极上相应电压的作用改变变形镜2的面形，使得变形镜2表面的出射波前逐渐逼近理想的参考波前，从而使焦点10处的焦斑尽可能小。这一校正方法的缺陷是由于波前探测仪的探测口径7一般很小，因而使得波前探测时需要借助于缩束系统。由于缩束系统不可能做到并调节到理想，必然引入一定地相位畸变，使得波前探测仪所测波前并非变形镜表面波前，因此必然错误控制变形镜面形，使得出射光斑不能接近理想参考波前。
图1中给出的校正方法之二：波前测量仪6置于离轴抛物镜9焦点10后适当的位置探测波前，考虑到此时的波前为发散的锥形球面光波，因此通过波前测量仪6中的控制程序，减去离焦量后所得波前即等价于变形镜2表面波前。与方法一相同，通过计算机11，此波前和理想的参考波前差值作为控制变形镜的依据，使得变形镜2表面的出射波前逐渐逼近理想参考波前，从而使焦点10处的焦斑尽可能小。这一校正方法的缺陷是由于焦点10后的光斑为锥形球面发散光波，为使光波半径不至于扩散到超出波前测量仪6探测口径7的极限，因此必须将波前测量仪6置于非常接近焦点的位置。此时，为保证变形镜2的共轭成像平面和探测器平面(CCD阵列)8重合，根据牛顿物像公式由于像距V非常接近于离轴抛物镜焦距f，因而物距U必须很大，这要求把变形镜2置于一个远离离轴抛物镜的位置以加长物距U。由于变形镜2有限的电极数不可能把反射波前校正为理想平面波，因而残余波前畸变经过长距离传输后，由于衍射效应波前又将变差。同时，由于离轴抛物镜焦距f是一个确定的值，而探测器由于特定的入射光瞳口径，因而像距V也基本是一个确定的值，根据牛顿物像公式，物距U基本是一个确定的值，这就使得变形镜只能安装在一个特定的位置，这种安装条件是相当苛刻的，因为在激光系统中很难保证确定的物距U处恰好有一个可供安装变形镜的位置。
本质上讲，上述提到的两种校正方法，除上述提到的缺陷外，最大缺陷还在于只有变形镜2的有效口径大于光斑直径，才能保证校正正常进行，如果这一条件无法满足，一切都将无从谈起。
传统的校正方式是在激光系统平面光束入射到聚焦离轴抛物镜前，用变形镜对平面光束进行校正。传统的自适应光学环路系统为改善光束波前质量作出了很大贡献，但传统校正方式必须要求变形镜口径大于待校正激光系统的光斑直径，否则一切波前校正及与此相对应的提升焦斑功率密度都无从谈起。而对于大型的超强超快激光系统，为提高光束总的能量并使光束尽可能在低于光学元件损伤阈值的通量下运行，同时也为了防止由于能量过于集中而产生的各类非线性效应，激光束光斑口径一般都比较大，这就要求有大口径的变形镜与此相匹配，才能达到波前校正的目的。但大口径变形镜的获得却并非易事，一方面大口径变形镜需要更加昂贵的价格，另一方面，受变形镜制造技术的限制，变性镜的口径也不能无限制地增大。
总之，变形镜的口径限制和大型激光系统的光斑有增大趋势的矛盾，是传统利用变形镜提升焦斑功率密度道路上的一个不可逾越的障碍。因此，需要基于新的校正原理，利用新的校正方法，从根本上解决这一难题。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述现有波前校正技术的不足，改进传统方法中的只能用大于光斑直径的变形镜来校正波前进而提升焦斑功率密度的局限，提供一种提高大光斑激光系统焦斑功率密度的装置，该装置可以进一步提高焦点功率密度，特别适合于大型激光系统聚焦能力的提升。
本发明方法基于最小聚焦光斑源自理想会聚球面波这一简单原理，通过小口径变形镜改变离轴抛物镜后焦点前的会聚球面波面形的方式，实现会聚焦点最小化。
本发明的技术解决方案如下：
一种提高大光斑激光系统焦斑功率密度的装置，包括大光斑激光系统激光源、变形镜、反射镜、波前测量仪、离轴抛物镜，CCD阵列探测器和计算机，其特点在于在所述的离轴抛物镜的反射光路上设置所述的变形镜，该变形镜为小口径变形镜，在所述的变形镜的反射光路上依次设置所述的反射镜和波前测量仪，在所述的反射镜的反射光路上和所述的离轴抛物镜的焦点平面设置所述的CCD阵列探测器，所述的波前测量仪的输出端接所述的计算机的输入端，该计算机的输出端接所述的变形镜的控制端。
所述的波前测量仪位于所述的反射镜的漏光的发散光束口径小于且接近于所述的波前测量仪的探测口径的位置。
本发明的技术效果：
(1)最大好处是用小口径变形镜校正大光斑的激光系统。我们知道：激光系统出射的平面波经离轴抛物镜反射后形成为会聚的球面波，因而在聚焦前，光斑直径是一个逐渐减小的过程，因此把变形镜置于离轴抛物镜后整形，不论变形镜的口径大小如何，总可找到一个变形镜口径与光斑尺寸相吻合的位置来安置所述的变形镜。由于小口径的变形镜在价格上也相对便宜，因此新方法是廉价的。
(2)传统的自适应光学环路波前校正系统要求变形镜表面和探测器的接收面二者之间必须满足严格的物像共轭关系。即为形成变形镜工作的反馈回路，必须通过像传递的方式，把变形镜表面波前精确共轭成像于波前测量仪的探测器平面。只有基于这样严格的像传递原理，才能保证探测器所测的波前是变形镜表面的波前，这样才能形成正确的反馈环路，变形镜各电极才能加载合适的电压以使变形镜通过表面面形的改变，来实现反射波前逐渐趋于平整的任务。但严格的像传递要求额外引入缩束系统和成像系统，这就人为增加了光路的复杂度及调节难度，同时也增加了校正系统的不稳定度。而本发明的校正方法只需保证离轴抛物镜表面反射的球面波是理想会聚球面波即可，此时置于焦点前的探测器探测到的是有同样曲率半径的发散球面波，因此本发明方法的反馈环路只需控制变形镜面形，以使反射球面波是理想的会聚球面波即可。这就从根本上抛弃了传统校正中的基于严格像传递基础上的闭环校正，因而该方法也是简单的。同时，一般的波前探测器探测口径相对较小(现在常用的波前剪切干涉仪SID4口径仅为3.5mm)，因此，不管待校正光束的口径有多大，要探测该光束波前，必须引入缩束系统以使入射到探测器的光斑直径小于探测器口径。而本发明方法由于是将波前探测器置于离轴抛物镜后，由于离轴抛物镜后的光束的光斑直径是逐渐减小的，因此只需将探测器置于离轴抛物镜后光斑接近于探测器口径的位置即可。这又进一步简化了自适应校正光路。
(3)为满足变形镜表面波前像传递的物像共轭条件，在传统的校正方法中需将变形镜置于离轴抛物镜前端一个较远的位置，因此纵使变形镜表面的波前已被校正为接近理想平面的波前(由于变形镜有限的电极数，不可能校正为绝对的理想平面波)，但残余的波前畸变经过长距离传输后会由于衍射效应而重新变差，特别是校正后的波前经过光学元件(比如反射镜，离轴抛物镜，及成像透镜等)后还会引入二次畸变，这些也将使得前面校正好的波前又将有所变差，从而使得最终聚焦效果不甚理想。而本发明校正方法，由于直接将变形镜置于离轴抛物镜的焦点前，因而校正后的会聚球面波无需经过任何光学元件，在自由空间经过短距离传输后即会聚为焦点，因而聚焦效果更好。同时，这种方法由于是把变形镜置于离轴抛物镜之后，所以由离轴抛物镜引起的波前畸变也给予了一次性校正(而常规方法是无法校正离轴抛物镜引入的波前畸变的)，因此该方法还是高效的。
(4)在传统的校正方法中，由于将变形镜置于离轴抛物镜前端整形，因而整形后变形镜表面反射的波前面形将发生变化。由于入射到离轴抛物镜上的入射波前发生变化，此时必须对离轴抛物镜做相应调节以适应变化了波前，才能保证聚焦效果最好。而本发明方法由于将变形镜置于离轴抛物镜之后，离轴抛物镜的入射波前没有发生变化，因而无需在校正后重新调节离轴抛物镜，这也进一步减小了校正的工作量。
【附图说明】
图1为传统自适应光学环路波前校正超短超强激光系统的结构示意图。
图2为本发明提高大光斑激光系统焦斑功率密度装置光路中光束传输的的波前演化图。
图3为本发明提高大光斑激光系统焦斑功率密度装置结构示意图。
【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。
考虑到本发明的校正方法是对传统校正方法的扬弃，先请参阅图2和图3，由图可见，本发明提高大光斑激光系统焦斑功率密度的装置，包括大光斑激光系统激光源1、变形镜2、反射镜12、波前测量仪6、离轴抛物镜9，CCD阵列探测器13和计算机11，其位置关系是：在所述的离轴抛物镜9的反射光路上设置所述的变形镜2，该变形镜2为小口径变形镜，在所述的变形镜2的反射光路上依次设置所述的反射镜12和波前测量仪6，在所述的反射镜12的反射光路上和所述的离轴抛物镜9的焦点平面设置所述的CCD阵列探测器13，所述的波前测量仪6的输出端接所述的计算机11的输入端，该计算机11的输出端接所述的变形镜2的控制端。所述的波前测量仪6位于所述的反射镜12的漏光的发散光束口径小于且接近于所述的波前测量仪6的探测口径的位置。
本实施例的工作过程如下：
(1)待校正的有畸变的平面波前1，经离轴抛物镜9反射后变为有畸变的会聚球面波。
(2)由于离轴抛物镜9后的会聚球面波光斑直接逐渐减小，我们将所述的变形镜2置于光斑大小与变形镜2工作口径相匹配的位置。在未加电的情况下，变形镜2面形不会发生变化，因而相当于一个平面反射镜(常规变形镜表面光洁度非常好，其面形畸变的峰谷值和均方根值一般小于10nm和3nm)。
(3)经变形镜2反射的会聚球面波被反射镜12反射，会聚于焦点10，可用于与物质相互作用的实验。这里需要指出，反射镜12的引入有一定好处，首先反射镜12的微弱漏光能保证波前测量仪6探测到激光的波前相位，这能为变形镜2各电极加载电压提供相位信息反馈，同时，反射镜12的反射光保证主要的激光能量会聚于靶点10，方便于焦点能量与物质的相互作用。
(4)反射镜12的漏光在发散光束口径小于且接近于波前测量仪6的探测口径7的位置放置波前探测器6。
(5)在变形镜2不加电的情况下，根据波前探测器6所测的波前离焦系数，在计算机11中控制软件的目标相位窗口设置理想球面波前为参考波前。
(6)由于入射的待校正平面波前有畸变，因此波前探测器6探测到的波前为畸变球面波，此畸变球面波前相位与上面设置的理想球面波前相位做比较，所得差值即是波前相位畸变ΔΦ，这是自适应反馈控制装置能正常工作所必须要求的物理参量。
(7)根据波前相位畸变ΔΦ的反馈控制，通过改变变形镜的面形来抵消波前畸变，以达到校正的目的。根据ΔΦ，计算机11中的控制软件可自动计算变形镜2各电极需要施加的控制电压值，以此改变变形镜2的面形。这里需要指出，由于光波在空间自由传递时的衍射作用，波前探测器6探测到的波前并非是变形镜2表面的波前。但实际上，由于波前的空间传递距离短(即变形镜2表面波前传递到波前测量仪6的探测口径7的距离较小)，菲涅尔数很大，因而衍射作用对波前的相位改变很小，因此波前探测器6探测到的波前与变形镜2表面的波前基本接近。实质上，研究已表面：理想的4F系统的共轭位置可以再现波前，同时在大菲涅尔数条件下，自由传播时波前和4F系统的差别很小。我们知道：变形镜表面波前传递到波前探测器入瞳面所引起的波前差别由菲涅尔数决定，当菲涅尔数大于某一阈值时，这一波前差别小到无法被仪器探测，即完全可以忽略。相关研究文献已表明：只要菲涅尔数不小于50，光束衍射调制的影响就可以忽略，这是一个普适的像传递判据。而根据常规飞秒系统的光束口径，变形镜的有效口径，波前探测器的光瞳大小和位置，理论计算得到本波前校正方法的有效菲涅尔数一般在103左右，远大于足以引起波前差别的菲涅尔数阈值50。即，波前探测器6探测到的波前就是变形镜2表面的波前。这就完全为自适应光学环路中变形镜2各电极正确加载电压提供了正确的相位反馈。
(8)用12bit的CCD相机13直接探测靶点10的焦斑形状、半高宽度，聚焦峰值功率等参数，实际检验利用本发明方法的自适应光学环路校正波前的效果。同时，也可将靶丸置于焦点处，直接用作强场激光与物质的相互作用实验，即所谓的打靶实验。