宽带激光系统色差动态补偿装置

摘要

本发明公开了一种宽带激光系统色差动态补偿装置，包含第一半波片、偏振分光镜、第一四分之一波片、凸透镜、凹透镜组、凹面反射镜、第一二维平移台、第二二维平移台、第二四分之一波片、平面反射镜、第二半波片。本发明采取像传递结构设计，并通过空间滤波小孔滤波，能够明显改善输出光束质量。该装置通过移动二维平移台可以控制凹透镜组、凹面反射镜与凸透镜之间的相对距离，能够逐渐改变入射到凹透镜组上的光束口径，从而起到连续控制色差补偿量的作用，有利于精确优化色差补偿效果。本发明装置可以作为色差补偿单元应用于超短脉冲激光系统，提供全系统的色差补偿，亦可用于普通光学系统，色差补偿范围较大。

权利要求

1.一种宽带激光系统色差动态补偿装置，其特征在于：包括第一半波片(1)、偏振分光棱镜(2)、第一四分之一波片(3)、凸透镜(4)、空间滤波器(5)、凹透镜组(6)、凹面反射镜(7)、供凹透镜组(6)放置的第一二维平移台(8)、供凹面反射镜(7)放置的第二二维平移台(9)、第二四分之一波片(10)、平面反射镜(11)和第二半波片(12)；所述的凸透镜(4)与凹透镜组(6)、凹面反射镜(7)组成共焦系统；

入射平面光经过所述的第一半波片(1)转变为P偏振光，经偏振分光镜(2)反射后垂直入射到第一四分之一波片(3)，经该第一四分之一波片(3)透射后，经过凸透镜(4)汇聚于共焦系统的焦点(F)处经所述的空间滤波器(5)滤波后入射到凹透镜组(6)，经凹透镜组(6)透射后发散入射到凹面反射镜(7)，经凹面反射镜(7)反射后光路沿原路返回，依次经过凹透镜组(6)、空间滤波器(5)以及凸透镜(4)恢复为平面光，经第一四分之一波片(3)透射后转变为S偏振光并经偏振分光镜(2)透射后的透射光经过第二四分之一波片(10)透射后垂直入射到平面反射镜(11)，经该平面反射镜(11)反射后沿原路返回，经过第二四分之一波片(10)后重新变为P偏振光并被偏振分光镜(2)90°反射后经过第二半波片(12)透射。

2.根据权利要求1所述的一种宽带激光系统色差动态补偿装置，其特征在于，通过调节所述的凹透镜组(6)、凹面反射镜(7)与凸透镜(4)之间的相对距离，实现色差动态补偿。

3.根据权利要求1所述的一种宽带激光系统色差动态补偿装置，其特征在于，所述的第一半波片(1)、第二半波片(12)、第一四分之一波片(3)、第二四分之一波片(10)根据实际入射光源的情况选用相应波段的零级波片或消色差波片。

4.根据权利要求1所述的一种宽带激光系统色差动态补偿装置，其特征在于，所述的凹透镜组(6)采用单透镜设计，或采用双凹透镜或多凹透镜组合形式，根据入射光源情况可在凹透镜前后表面镀宽带增透膜。

5.根据权利要求1所述的一种宽带激光系统色差动态补偿装置，其特征在于，所述的凹透镜组(6)和凹面反射镜(7)根据实际系统需要采用球面设计或采用非球面设计。

6.根据权利要求1所述的一种宽带激光系统色差动态补偿装置，其特征在于，所述的空间滤波器(5)作用是空间滤波、防止焦点附近空气击穿，当系统功率低，空间滤波器(5)的腔体可以撤掉仅保留滤波小孔。

说明书

宽带激光系统色差动态补偿装置

技术领域

[0001] 本发明涉及宽带激光系统的一种色差补偿装置，特别是一种高功率飞秒超短脉冲激光系统色差动态补偿装置。

背景技术

[0002] 为了发展聚变能源技术，科学家们研制了高功率激光装置，用于中心点火和快点火等技术方案的研究。在高功率超短脉冲激光装置中，为了避免功率密度过大造成光学元件损伤，需要将激光脉冲逐级扩束、放大。通常，高功率激光系统采用大口径的空间滤波器结构，一方面实现光束口径逐级扩束，另一方面滤除高频光谱噪声并有效实现像传递，提高光束质量。传统窄带脉冲激光系统的空间滤波器通常采用开普勒结构，即前后两块正透镜共焦排列组成，在共焦平面上设有空间滤波小孔。由于透镜系统的材料色散，宽带激光脉冲在经过空间滤波器透镜时不可避免地产生色差，导致不同波长激光出射角度不同，当会聚到焦平面时不同波长有着不同的焦距，产生离焦色散(轴向色差)，入射光带宽越大，色差越大。另一方面，由于透镜中心厚，边缘薄，经过透镜不同径向位置的激光脉冲有着不同的脉冲时间延迟(PTD)。对于脉宽在皮秒及飞秒量级的宽带激光系统来说，色差的影响举足轻重。高功率超短脉冲激光系统的最大光束口径通常可达几十厘米，当宽带激光经过空间滤波系统逐级扩束后，色差量逐级累积，倘若不经过补偿，全系统累积的色差将使激光终端聚焦性能产生严重的时空畸变：使聚焦光斑口径变大，峰值功率密度降低；脉冲时域脉宽变宽，信噪比降低。

[0003] 目前，高功率超短脉冲激光系统中消除色差的手段主要包括利用消色差透镜替代单透镜、采用全发射式空间滤波器替代透射式滤波器、添加色差补偿单元进行预补偿等技术手段。利用两块不同材料组成消色差透镜组取代单透镜是消除色差的传统手段，消色差透镜组通常由两片由不同材料制成的正负透镜贴合而成，能够在保证透镜焦距的情况下消除离焦色散；利用全反射扩束系统取代透射式扩束系统在理论上能够完全规避PTD和离焦色散的产生。消色差透镜组和全反射系统尽管能够有效抑制系统色差，但在实际使用中有一些局限。例如，大口径消色差透镜材料加工困难，成本昂贵；全发射系统受光路折叠和真空传输的限制，难以在压缩室内安装。

[0004] 添加色差补偿单元进行预补偿是高功率超短脉冲激光系统主要的色差补偿手段。预补偿单元其中包括基于衍射元件的色差补偿单元和基于投射元件的补偿单元。基于衍射元件的色差补偿单元能够提供较大的色差补偿量，但光束质量明显降低；而利用透射元件补偿色差尽管光束质量较好，但受限于材料和加工工艺，难以提供较大的色差补偿量。因此，如何设计能够兼顾大的色差补偿量和优异的光束质量的补偿装置是急需解决的难题。

发明内容

[0005] 本发明提供了一种宽带激光系统色差动态补偿装置，能够满足不同带宽激光系统的色差补偿要求。该装置结构简单，光路调节方便，能自由移入移出且不影响主光路。相比传统的色差补偿技术，该装置采取像传递结构设计，并通过空间滤波小孔滤波，能够明显改善输出光束质量。该装置通过移动二维平移台可以控制凹透镜组、凹面反射镜与凸透镜之间的相对距离，能够逐渐改变入射到凹透镜组上的光束口径，从而起到连续控制色差补偿量的作用，有利于精确优化色差补偿效果。该装置可以作为色差补偿单元应用于超短脉冲激光系统，提供全系统的色差补偿，亦可用于普通光学系统，色差补偿范围较大。

[0006] 本发明的技术解决方案：

[0007] 一种宽带激光系统色差动态补偿装置，其特点在于：包括半波片、偏振分光棱镜、第一四分之一波片、凸透镜、空间滤波器、凹透镜组、凹面反射镜、供凹透镜组放置的第一二维平移台、供凹面反射镜放置的第二二维平移台、第二四分之一波片、平面反射镜和第二半波片；所述的凸透镜与凹透镜组、凹面反射镜组成共焦系统；

[0008] 入射平面光经过所述的第一半波片转变为P偏振光，经偏振分光镜反射后垂直入射到第一四分之一波片，经该第一四分之一波片透射后，经过凸透镜汇聚于共焦系统的焦点处经所述的空间滤波器滤波后入射到凹透镜组，经凹透镜组透射后发散入射到凹面反射镜经凹面反射镜反射后光路沿原路返回，依次经过凹透镜组、空间滤波器以及凸透镜恢复为平面光，经第一四分之一波片透射后转变为S偏振光并经偏振分光镜透射后的透射光经过第二四分之一波片透射后垂直入射到平面反射镜，经该平面反射镜反射后沿原路返回，经过第二四分之一波片后重新变为P偏振光并被偏振分光镜90°反射后经过第二半波片透射。

[0009] 通过调节所述的凹透镜组、凹面反射镜与凸透镜之间的相对距离，能够实现在较大带宽范围内的大范围内精确色差动态补偿。

[0010] 所述的第一半波片、第二半波片、第一四分之一波片、第二四分之一波片根据实际入射光源的情况选用相应波段的零级波片或消色差波片。

[0011] 所述的凹透镜组可以采用单透镜设计，亦可采用双凹透镜或多凹透镜组合形式，根据入射光源情况可在凹透镜前后表面镀宽带增透膜。

[0012] 所述的凹透镜组和凹面反射镜可根据实际系统需要采用球面设计或采用非球面设计。

[0013] 所述的空间滤波器作用是空间滤波、防止焦点附近空气击穿，如果系统功率不高，空间滤波器的腔体可以撤掉仅保留滤波小孔。

[0014] 与现有技术相比，本发明的技术效果：

[0015] 1)结构简单，光路调节方便，可自由移入移出，不影响主光路，对环境要求低。

[0016] 2)相比传统的色差补偿技术，本装置采取像传递结构设计，并通过空间滤波小孔滤波，能够明显改善输出光束质量。

[0017] 3)通过移动二维平移台可以控制凹透镜组、凹面反射镜与凸透镜之间的相对距离，能够逐渐改变入射到凹透镜组上光束的口径，从而起到连续控制色差补偿量的效果，有利于精确优化色差补偿效果。

[0018] 4)本装置可以作为色差补偿单元应用于超短脉冲激光系统，提供全系统的色差补偿，亦可用于普通光学系统，色差补偿范围较大。

附图说明

[0019] 图1是本发明宽带激光系统色差动态补偿装置的结构示意图；

具体实施方式

[0020] 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。

[0021] 先请参阅图1，图1是本发明宽带激光系统色差动态补偿装置的结构示意图，包括半波片1、偏振分光棱镜2、第一四分之一波片3、凸透镜4、空间滤波器5、凹透镜组6、凹面反射镜7、供凹透镜组6放置的第一二维平移台8、供凹面反射镜7放置的第二二维平移台9、第二四分之一波片10、平面反射镜11和第二半波片12；所述的凸透镜4与凹透镜组6、凹面反射镜7组成共焦系统；

[0022] 入射平面光经过所述的第一半波片1转变为P偏振光，经偏振分光镜2反射后垂直入射到第一四分之一波片3，经该第一四分之一波片3透射后，经过凸透镜4汇聚于共焦系统的焦点F处经所述的空间滤波器5滤波后入射到凹透镜组6，经凹透镜组6透射后发散入射到凹面反射镜7经凹面反射镜7反射后光路沿原路返回，依次经过凹透镜组6、空间滤波器5以及凸透镜4恢复为平面光，经第一四分之一波片3透射后转变为S偏振光并经偏振分光镜2透射后的透射光经过第二四分之一波片10透射后垂直入射到平面反射镜11，经该平面反射镜11反射后沿原路返回，经过第二四分之一波片10后重新变为P偏振光并被偏振分光镜290°反射后经过第二半波片12透射。

[0023] 实施例：

[0024] 以SG II-5PW激光装置为例，该激光系统信号光中心波长808nm，FWHM带宽50nm，系统的总色差来源于五级空间滤波器，色差量由式(1)求得：

[0025]

[0026] 将本发明装置置于第三级空间滤波器与第四级空间滤波器之间，光束口径16mm。根据系统要求，第一半波片1、第二半波片12、第一四分之一波片3、第二四分之一波片10选用宽带消色差波片；凸透镜4选用K9玻璃，焦距100mm；凹透镜组6为平凹透镜，材料K9玻璃，焦距-200mm，口径100mm；凹面反射镜7设计为扁椭球面，曲率半径-350mm；根据计算，入射到凹透镜组6的光斑口径需要达到55mm，由此确定凹透镜组6与凸透镜3之间的理想距离为
800mm；通过检测焦点(F)处焦斑大小来确保入射到凹面反射镜7的光线沿原路返回，凹透镜组6与凹面反射镜7最佳距离为170mm。

[0027] 实验表明，利用本发明装置校正色差后，SG II-5PW系统的色差得到完美补偿：终端聚焦焦斑直径由补偿前的50微米减小至5微米，780nm与830nm波相差由补偿前的8λ降低至0.01λ，能够满足系统聚焦功率密度的要求。

[0028] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细的说明。所应理解的是，以上所述的仅为本发明的具体实施案例而已，并不用于限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。