一种高能拍瓦系统里真空压缩室光栅失调的监控调节装置，光束经过分光棱镜，然后打入远场探测系统进行校准，校准完成之后，旋转分光棱镜方向。光束以一定入射角通过单通双平行光栅对压缩器结构，在两块光栅对之间用一块半反半透镜进行分束，反射的光束沿原路返回，依次打入自相关仪和上述远场探测系统(其中远场探测系统由法布里珀罗干涉仪、消色散镜、显微物镜、CCD组成)；透射的光束经过后一对光栅对后，同样打入自相关仪和远场探测系统，其中每块光栅均由步进电机控制其沿三维角度方向的旋转。该发明具有以下特点：①结构简单、②允许四块光栅任意维角度的失调、③监测光路与主光路分离、④自动化调节步骤以及⑤精度高。
1.一种高能拍瓦系统里真空压缩室光栅失调的监控调节装置，特征在于其构成包括分光棱镜(1)、第一半反半透镜(2)、第一远场探测系统(3)、第一自相关仪(4)、第三半反半透镜(12)、第四半反半透镜(13)、第二远场探测系统(15)、第二自相关仪(14)、由第一光栅(5)、第二光栅(6)、第三光栅(7)、第四光栅(8)构成的双通道平行光栅对压缩器，以及放置在该第二光栅(6)和第三光栅(7)之间的第一平面镜(9)、第二半反半透镜(10)和第二平面镜(11)，所述的双通道平行光栅对压缩器放置于真空压缩室内，所述的分光棱镜(1)、第一光栅(5)、第二光栅(6)、第三光栅(7)和第四光栅(8)分别置于三维调整架上；
监测光束经所述的分光棱镜(1)分为反射光束A1和透射光束A2，反射光束A1进入所述的第一远场探测系统(3)，透射光束A2经第一半反半透镜(2)后进入真空压缩室，依次经所述的第一光栅(5)、第二光栅(6)和第一平面镜(9)，射入到所述的第二半反半透镜(10)，该第二半反半透镜(10)将透射光束A2分为反射光束A21和透射光束A22，透射光束A22依次经所述的第二平面镜(11)、第三光栅(7)和第四光栅(8)，入射到第三半反半透镜(12)，经第三半反半透镜(12)分为反射光束A3和透射光束A4，反射光束A3进入所述的第二自相关仪(14)，透射光束A4经所述的第四半反半透镜(13)进入所述的第二远场探测系统(15)；反射光束A21沿原光路返回，依次经所述的第二光栅(6)和第一光栅(5)出射后经第一半反半透镜(2)分束，其中反射光束A211进入第一自相关仪(4)中，将分光棱镜(1)旋转90°后，透射光束A212通过分光棱镜(1)反射进入第一远场探测系统(3)中。
2.根据权利要求1所述的高能拍瓦系统里真空压缩室光栅失调的监控调节装置，其特征在于，所述的第一远场探测系统(3)和第二远场探测系统(15)均由法布里珀罗干涉仪(16)、消色散镜(17)、显微物镜(18)、CCD(19)构成，其中法布里珀罗干涉仪(16)用于对光束进行光谱调制，选择出有固定频率间隔的几个光谱成分，然后通过消色散镜(17)进行聚焦，经由显微物镜(18)放大成像倍数，最后经由CCD(19)显示出各光谱成份的相对位置变化和与理想位置的位移变化。
3.根据权利要求2所述的高能拍瓦系统里真空压缩室光栅失调的监控调节装置，其特征在于第一自相关仪(4)的时间分辨率、第二自相关仪(14)的时间分辨率，法布里珀罗干涉仪(16)的光谱成分波段间隔、消色散镜(17)的焦距、显微物镜(18)的放大倍率、以及CCD(19)的分辨率均根据实际系统对出射光束的质量要求来定。
4.根据权利要求1所述的高能拍瓦系统里真空压缩室光栅失调的监控调节装置，其特征在于所述的分光棱镜(1)、第一光栅(5)、第二光栅(6)、第三光栅(7)、第四光栅(8)的调整架均可绕三维角度方向旋转，分别是绕实验室坐标系的x轴、y轴、z轴旋转，并由步进电机控制。
5.根据权利要求1所述的高能拍瓦系统里真空压缩室光栅失调的监控调节装置，其特征在于所述的分光棱镜(1)有两用，其一是将入射光束引入第一远场探测系统(3)用于校准，其二是分光棱镜(1)90°旋转后将反方向的反射光束引入第一远场探测系统(3)用于光栅失调的监测。
6.利用权利要求1-5任一所述的高能拍瓦系统里真空压缩室光栅失调的监控调节装置进行监控调节的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤1.定义光栅对12个自由度的角度失调量：ζ1，η1，θ1分别为第一光栅(5)绕x轴，y轴和z轴旋转的失调角度，即为俯仰角，水平角和绕轴角；ζ2，η2，θ2则为第二光栅(6)绕x轴，y轴和z轴旋转的失调角度；ζ3，η3，θ3分别为第三光栅(7)绕x轴，y轴和z轴旋转的失调角度；ζ4，η4，θ4分别为第四光栅(8)绕x轴，y轴和z轴旋转的失调角度，失调角度由步进电机控制调节；
步骤2.定义监测设备的监测量，对于远场探测系统呈现的图像，以理想焦斑位置为坐标系原点，横轴为x轴方向，纵轴y轴方向，δx1，δy1分别为图像上距离最远的两个焦斑点的横轴和纵轴位移之差，即第一光栅(5)和第二光栅(6)失调时呈现在第一远场探测系统(3)的最大波长与最小波长焦斑沿x轴和y轴的位移之差；xλ01，yλ01分别为第一远场探测系统(3)呈现图像最中间的一个焦斑点相对于坐标系原点沿x轴y轴方向的位移，即第一光栅(5)和第二光栅(6)失调时中心波长对应焦斑相对于坐标系原点处的理想焦斑位置沿x轴和沿y轴方向的位移；τ1为呈现在第一自相关仪(4)上出射光相对于入射光脉冲宽度的差值，即为光栅色散造成的延迟，当失调导致剩余角色散时，会导致脉宽进一步加宽；呈现在第二远场探测系统(15)和第二自相关仪(14)上相应的监测量分别为δx2，δy2，xλ02，yλ02，τ2，用于监测第三光栅(7)和第四光栅(8)的失调；
步骤3.根据第二半反半透镜(10)的分束作用，对失调角的调节分为两个阶段：
第一阶段、根据第二半反半透镜(10)反射回的反射光束A21，通过第一自相关仪(4)和第一远场探测系统(3)的监测量δx1，δy1，xλ01，yλ01，τ1来调节第一光栅(5)、第二光栅(6)六个自由度的角度失调量ζ1，η1，θ1，ζ2，η2，θ2，使得失调量变为0，即理想光栅状态，调节完毕后进入第二阶段；
第二阶段、根据第二半反半透镜(10)透射后的透射光束A22,通过第二自相关仪(14)和第二远场探测系统(15)的监测量δx2，δy2，xλ02，yλ02，τ2来调节第三光栅(7)、第四光栅(8)六个自由度的角度失调量ζ3，η3，θ3，ζ4，η4，θ4，使得失调量变为0。
真空压缩室光栅失调的监控调节装置及方法
技术领域
[0001] 本发明是一种针对高能拍瓦系统里真空压缩室光栅失调的监控调节装置及调节方法，属于高功率超短脉冲激光领域，主要用此装置来保障高能拍瓦系统出射的超短脉冲激光光束质量。
背景技术
[0002] 在实际工程中，为了消除不希望的非线性光学效应和保证输出光束的质量，压缩器通常放置在真空压缩室里面，由于光栅支持架电机系统的不稳定性、真空泵浦过程的振动和空气流以及长时间的使用间隔，光栅将不可避免的偏离原来设定的理想位置，即出现失调，这会造成光谱成分在空间上有错位，带来剩余角色散。对于大口径的高功率超短脉冲激光系统而言，这会显著影响出射光束的质量，所以对于失调光栅位置的监测与校准，工程上有非常迫切的需要和严格的精度要求。
[0003] 光栅调节的传统思路都是以第一块光栅为基准固定住，调节相邻光栅与基准光栅的平行度，但是对于放在真空室里面的压缩器来说，基准光栅也存在失调问题，目前国际上针对这个问题采用的方法存在以下缺点：
[0004] 1、结构复杂(这对于真空室压缩器的远程监控调节增加了更多不稳定的干扰源)；
[0005] 2、精度不高(不能满足飞秒激光系统出射光束的质量要求)；
[0006] 3、可监测的失调量有限(只能监测光栅对是否相互平行，无法适用于真空室里两对光栅对12个自由度失调状态)；
[0007] 4、监测光路与主光路未分离(压缩室内主光路在使用时，光路中不能有任何无关器件影响光束压缩质量)。
发明内容
[0008] 本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种高能拍瓦系统里真空压缩室光栅失调的监控调节装置及方法，该装置结构简单，精度高，可快速调节好光栅对12个自由度的角度失调量，且监测光路与主光路分离。
[0009] 本发明的技术解决方案如下：
[0010] 一种高能拍瓦系统里真空压缩室光栅失调的监控调节装置，特点在于其构成包括：
[0011] 分光棱镜、第一半反半透镜、第一远场探测系统、第一自相关仪、第三半反半透镜、第四半反半透镜、第二远场探测系统、第二自相关仪、由第一光栅、第二光栅、第三光栅、第四光栅构成的双通单平行光栅对压缩器，以及放置在该第二光栅和第三光栅之间的第一平面镜、第二半反半透镜和第二平面镜，所述的双通单平行光栅对压缩器放置于真空压缩室内，所述的分光棱镜、第一光栅、第二光栅第三光栅和第四光栅分别置于三维调整架上；
[0012] 监测光束经所述的分光棱镜分为反射光束A1和透射光束A2，反射光束A1进入所述的第一远场探测系统，透射光束A2经第一半反半透镜后进入真空压缩室，依次经所述的第一光栅、第二光栅和第一平面镜，射入到所述的第二半反半透镜，该第二半反半透镜将透射光束A2分为反射光束A21和透射光束A22，透射光束A22依次经所述的第二平面镜、第三光栅和第四光栅，入射到第三半反半透镜，经第三半反半透镜分别反射光束A3和透射光束A4，反射光束A3进入所述的第二自相关仪，透射光束A4经所述的第四半反半透镜进入所述的第二远场探测系统；反射光束A21沿原光路返回，依次经所述的第二光栅和第一光栅出射后经第一半透半反镜分束，其中反射光束A211进入第一自相关仪中，透射光束A212通过旋转90°后的分光棱镜反射进入第一远场探测系统中。
[0013] 所述的第一远场探测系统和第二远场探测系统均由法布里珀罗干涉仪(16)、消色散镜、显微物镜、CCD构成，其中法布里珀罗干涉仪用于对光束进行光谱调制，选择出有固定频率间隔的几个光谱成分，然后通过消色散镜进行聚焦，经由显微物镜放大成像倍数，最后经由CCD显示出各光谱成份的相对位置变化和与理想位置的位移变化。
[0014] 第一自相关仪的时间分辨率、第二自相关仪的时间分辨率，法布里珀罗干涉仪的光谱成分波段间隔、消色散镜的焦距、显微物镜的放大倍率、以及CCD的分辨率均根据实际系统对出射光束的质量要求来定。
[0015] 所述的分光棱镜、第一光栅、第二光栅、第三光栅、第四光栅的调整架均可绕三维角度方向旋转，分别是绕实验室坐标系的x轴、y轴、z轴旋转，并由步进电机控制。
[0016] 所述的分光棱镜有两用，其一是将入射光束引入第一远场探测系统用于校准，其二是90°旋转后将反方向的反射光束引入第一远场探测系统用于光栅失调的监测。
[0017] 根据光栅公式和光谱剪切理论所得的第一平面镜和第二平面镜的摆放角度，使一定入射角的监测光路能完整通过四块光栅完成压缩，且与主光路分离；
[0018] 两个用于检测出射激光脉冲宽度的自相关仪，与远场探测法结合监测提高系统精度；
[0019] 利用所述的监测装置所获监测量结合分离变量的思想反演失调量，充分根据监测量的组合推演失调量信息，从而有效简化系统的监测设备数量。其具体的反演调节步骤如下：
[0020] 步骤1.定义光栅对12个自由度的角度失调量：ζ1，η1，θ1分别为第一光栅绕x轴，y轴和z轴旋转的失调角度，即为俯仰角，水平角和绕轴角；ζ2，η2，θ2则为第二光栅绕x轴，y轴和z轴旋转的失调角度；ζ3，η3，θ3分别为第三光栅绕x轴，y轴和z轴旋转的失调角度；ζ4，η4，θ4分别为第四光栅绕x轴，y轴和z轴旋转的失调角度，失调角度由步进电机控制调节；
[0021] 步骤2.定义监测设备的监测量，对于远场探测系统呈现的图像，以理想焦斑位置为坐标系原点，横轴为x轴方向，纵轴y轴方向，δx1，δy1分别为图像上距离最远的两个焦斑点的横轴和纵轴位移之差，即第一光栅和第二光栅失调时呈现在第一远场探测系统的最大波长与最小波长焦斑沿x轴和y轴的位移之差；xλ01，yλ01分别为第一远场探测系统呈现图像最中间的一个焦斑点相对于坐标系原点沿x轴y轴方向的位移，即第一光栅和第二光栅失调时中心波长对应焦斑相对于坐标系原点处的理想焦斑位置沿x轴和沿y轴方向的位移；τ1为呈现在第一自相关仪上出射光相对于入射光脉冲宽度的差值，即为光栅色散造成的延迟，当失调导致剩余角色散时，会导致脉宽进一步加宽；呈现在第二远场探测系统和第二自相关仪上相应的监测量分别为δx2，δy2，xλ02，yλ02，τ2，用于监测第三光栅和第四光栅的失调；
[0022] 步骤3.根据第二半反半透镜的分束作用，对失调角的调节分为两个阶段：
[0023] 第一阶段、根据第二半反半透镜反射回的反射光束A21，通过第一自相关仪和第一远场探测系统的监测量δx1，δy1，xλ01，yλ01，τ1来调节第一光栅、第二光栅六个自由度的角度失调量ζ1，η1，θ1，ζ2，η2，θ2，使得失调量变为0，即理想光栅状态，调节完毕后进入第二阶段；
[0024] 第二阶段、根据第二半反半透镜透射后的透射光束A22,通过第二自相关仪和第二远场探测系统的监测量δx2，δy2，xλ02，yλ02，τ2来调节第三光栅、第四光栅六个自由度的角度失调量ζ3，η3，θ3，ζ4，η4，θ4，使得失调量变为0。
[0025] 下面以表格的形式直观的呈现每一步的调节步骤，备注：当调节对象为两个时，即两个同时调节，且保持调节步调一致。
[0026] 表1 失调光栅调节步骤
[0027]
[0028] 本发明的技术效果如下：
[0029] 通过程序控制步进电机按表中步骤调节，可逐步分离调节各变量，最后将12个失调量均调节为0，即压缩器光栅完全调回至理想状态。相比较传统方案，此方案结构简单，精度高，能实现在线自动化调节，从而将失调光栅对快速地一次性调好，提高了工程上的使用效率，同时监测光路与主光路分离，避免了各个量的耦合问题。该调节方案还可以应用到展宽器和不同构型压缩器等封闭系统失调色散元件的精密调节问题中。
附图说明
[0030] 图1是本发明真空压缩室光栅失调的监控调节装置示意图
[0031] 图中：
[0032] 1－分光棱镜；2－第一半反半透镜；3－第一远场探测系统；4－第一自相关仪；5－第一光栅；6－第二光栅；7－第三光栅；8－第四光栅；9－第一平面镜；10－第二半反半透镜；11－第二平面镜；12－第三半反半透镜；13－第四半反半透镜；14－第二自相关仪；15－第二远场探测系统；16－主光路观察窗口；双箭头表示经半透半返镜10后的反射光束光路[0033] 图2是本发明远场探测系统细节装置图
[0034] 17－法布里珀罗干涉仪；18－消色散镜；19－显微物镜；20－CCD
具体实施方式
[0035] 下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
[0036] 先请参阅图1，图1是本发明真空压缩室光栅失调监控调节装置的整体结构示意图。该装置的构成为：
[0037] 分光棱镜、第一半反半透镜、第一远场探测系统、第一自相关仪、第三半反半透镜、第四半反半透镜、第二远场探测系统、第二自相关仪、由第一光栅、第二光栅、第三光栅、第四光栅构成的双通单平行光栅对压缩器，以及放置在该第二光栅和第三光栅之间的第一平面镜、第二半反半透镜和第二平面镜，所述的双通单平行光栅对压缩器放置于真空压缩室内，所述的分光棱镜、第一光栅、第二光栅第三光栅和第四光栅分别置于三维调整架上；
[0038] 监测光束经所述的分光棱镜分为反射光束A1和透射光束A2，反射光束A1进入所述的第一远场探测系统，透射光束A2经第一半反半透镜后进入真空压缩室，依次经所述的第一光栅、第二光栅和第一平面镜，射入到所述的第二半反半透镜，该第二半反半透镜将透射光束A2分为反射光束A21和透射光束A22，透射光束A22依次经所述的第二平面镜、第三光栅和第四光栅，入射到第三半反半透镜，经第三半反半透镜分别反射光束A3和透射光束A4，反射光束A3进入所述的第二自相关仪，透射光束A4经所述的第四半反半透镜进入所述的第二远场探测系统；反射光束A21沿原光路返回，依次经所述的第二光栅和第一光栅出射后经第一半透半反镜分束，其中反射光束A211进入第一自相关仪中，透射光束A212通过旋转90°后的分光棱镜反射进入第一远场探测系统中。
[0039] 光栅失调时远场探测系统与自相关仪获得的监测量与四块光栅的角度失调量存在如下关系：
[0040] 1、光栅水平方向的角度失调(即η)会引起焦斑中心波长位置的横向位移(即xλ0)以及不同波长横向位置(即δx)的拉长，且仅与光栅对水平角相对不平行度有关，当第一光栅5和第二光栅6，第三光栅7和第四光栅8水平角相互平行时，δx＝0且xλ0＝0。
[0041] 2、光栅的俯仰角(即ζ)和绕轴角(即θ)失调均为引起焦斑中心波长位置的纵向位移(即yλ0)及其不同焦斑点的纵向(即δy)拉长。
[0042] 3、光栅水平角和俯仰角的失调会产生束延迟(记为τs，束光程差对应的延迟，即某一波长成分由于波面倾斜造成的延迟量)，束延迟仅与光栅对的相对不平行度有关，第一光栅5和第二光栅6，第三光栅7和第四光栅8相互平行时，束延迟为0。
[0043] 4、第二光栅6和第三光栅7水平角失调会产生色散延迟(记为τ′，为波长最长与波长最短光束平均光程的光程差对应的延迟，即为压缩器对入射啁啾脉冲的色散延迟)。
[0044] 5、无论τs还是τ′，在自相关仪上都统一呈现为脉宽加宽，所以监测量统一用τ表示。
[0045] 6、当小角度失调时上述监测量与失调量呈现线性关系。
[0046] 结合上述特征，采用分离变量的思想将失调量一一分离，按表1中步骤逐步调节至理想状态。
[0047] 综上所述，本发明装置与方法具有结构简单、精度高、自动化快速调节、监测光路与主光路分离、全面监测各维角度失调量的特点。
