激光束传输与变换-第十讲

激光束传输与变换第十讲第四章光束整形与激光组束§4.1空间整形§4.2时间整形§4.3激光组束§4.1空间整形1.辐照光滑化基本原理2.空间整形方法1.辐照光滑化基本原理空间相干性:b—光源宽度

--空间相干性区域的孔径角

--波长

1.辐照光滑化基本原理时间相干性:tc—相干时间

—谱线宽度

1.辐照光滑化基本原理多束光叠加—改善聚焦光斑均匀性激光的相干性----导致辐照的不均匀性结果----必须去相干处理,消除干涉散斑1.辐照光滑化基本原理设两束光同时照射一接收屏,他们的光场分布为:式中,F1(r,t),F2(r,t)为时间的慢变化部分.在接收屏上的光场强度分布可写成:1.辐照光滑化基本原理类似地,多光束叠加,在接收屏上的光场强度分布为:1.辐照光滑化基本原理从原理上分析,可采取的去相干方法有1)

i

j2)

i(r,t)-j(r,t)const.

ij=i

(r,t)-j(r,t)不是常数,但不是随机分布

ij=i

(r,t)-j(r,t)不随时间变化,但随机分布

ij=i(r,t)-j(r,t)随时间变化,且随机分布3)2.空间整形方法1)阶梯诱导空间非相干技术(ISI—inducedspatialincoherence)2)无阶梯诱导空间非相干技术(EFISI—echelon-freeinducedspatialincoherence)3)列阵透镜法(LA—lensarray)4)随机相位板法(RPP—randomphaseplate)5)谱色散光滑法(SSD—smoothingbyspectraldispersion)2.空间整形方法6)二元光学法7)全息相位板(KPP—kinoformphaseplate)8)双折射晶体透镜组法1)阶梯诱导空间非相干技术ISI1)阶梯诱导空间非相干技术ISI1983年由美国海军实验室Lehmberg等人提出的,它采用阶梯光栅诱导空间非相干,实现宽频带激光的靶面均匀辐照。利用阶梯光栅将激光束分割为许多子波束,同时对每个子束引入时延ＴＮ-1-ＴＮ>ＴＣ来实现各子束的非相干.之后再将子束组合到靶上,在大于相干时间的时间量级上,众多互不相干子束的远场衍射光斑,在靶上进行非相干叠加,使靶上得到均匀辐照。1)阶梯诱导空间非相干技术ISI靶面上光强分布形状由阶梯光栅各级的衍射光斑决定.该技术的最大不足是:(1)阶梯光栅必须放在激光器的输出端,这造成光栅大,阶梯多,费用贵,加工难,同时由于光栅衍射,使最终打靶光束能量利用率低等;(2)由于光栅阶梯面不可能加工到太小,各子波束的近场光斑受光栅的阶梯影响,从而使各阶梯子束光斑不均匀。2)无阶梯诱导空间非相干技术EFISI1987年,Lehmberg等人又提出了无阶梯空间诱导非相干技术,它可以用于大型准分子激光以产生光滑、可控的靶面光束分布。其思想是基于投影成像技术,将物孔处光强的光滑分布通过激光器传输放大,投影成像于靶上,即将所需要的光束时间平均空间分布Ｆ(ｘ,ｙ)通过激光系统,利用宽带部分相干光投影到靶面上。重建Ｆ(ｘ,ｙ)所需的信息,利用大量相互独立的相干带(其直径小于系统线性畸变比例长度和增益非均匀性长度)在系统中传输。2)无阶梯诱导空间非相干技术EFISI此技术是由ISI技术思想发展而来的,其关键是利用非相干光束将物孔处的均匀光强分布成像于靶上,其前提必须保证物孔处光强均匀,且光源相干性差。由于该方法中并未在高功率端加入控制元件,与通常的主控振荡器功率放大器MOPA系统相差无几,所以,工作稳定,且使用寿命长。2)无阶梯诱导空间非相干技术EFISI两个突出优点:1)远场分布形状灵活性大,取决于物面的光强分布,而物面处于低功率端,相对较易控制。而其它方法的远场光强分布形状基本上是固定的,一般列阵透镜,ISI,BRP方法是平顶分布,而RPP方法是高斯分布。2)容易和角多路传输放大技术结合在一起。该方法充分利用了激光源的宽带特性,适用于气体准分子激光器,但如何得到均匀且相干性差的前级光源是一个问题。2)无阶梯诱导空间非相干技术EFISI3)列阵透镜法LA1985年,中国上海光机所邓锡铭教授等提出了列阵透镜实现靶面均匀辐照的方法,该技术结构原理如图3所示(其中Ａ为主聚焦透镜,Ｂ为透镜列阵,Ｃ为综合焦斑,Ｅ为各单元焦点所在球面)。其实质是利用多个微小透镜分割入射光束,每个子束形成一个菲涅耳衍射斑,为消除衍射斑纹,使靶面略离焦,衍射斑纹相互叠加,靶面上得到焦后的准近场光滑分布。3)列阵透镜法LA3)列阵透镜法LA在几何光学上,光束分割越细,越有利于消除光斑不均匀,实现均匀辐照。但从物理光学的观点,分割数目和透镜焦距对衍射和多光束干涉叠加效果有影响,因此,设计列阵透镜时,必须综合考虑二者的作用。3)列阵透镜法LA此方法的优点1)可获得均匀准近场光斑,在主焦斑外光强度按指数迅速衰减为0,2)不要求激光具有的宽频带(如固体玻璃激光器)。3)列阵透镜法LA该方法最大的缺点1)每个子束是相干的,各子束会在靶面上形成多光束干涉花纹,最终光斑是子束菲涅耳衍射斑和多光束干涉花纹二者的卷积(其中衍射斑大小为fλ/D,干涉散斑间距:fλ/ＮD。)。2)通过靶面略离焦,可以消除衍射斑纹,但干涉条纹却无法消除。4)随机相位板法RPP1984年,日本大阪工程研究所Yamananaka提出利用相位板把相干波化为随机相位波,以改善激光束辐照均匀性。4)随机相位板法RPP无规位相板是由许多按列阵形式排列的小位相单元组成,每个小位相单元随机地被选择对入射的激光光束引入0或π的相位延迟,无规位相板上的列阵位相单元把入射光束波面分割为许多大小相同的子光束,经透镜聚焦在同一靶面上(焦平面上),靶面上光强分布由各个子波束的衍射图样随机叠加确定,从而达到平滑靶面的目的。4)随机相位板法RPP位相板位相单元的形状确定了透镜焦面焦斑的形状,位相板位相单元的大小确定了焦面焦斑的大小,通过改变位相单元的形状或大小,可以达到控制透镜焦面焦斑形状和大小的目的。4)随机相位板法RPP优点:具有对靶面焦斑形状和大小易于控制、制作简单及容易使用等。缺点:由于位相板列阵单元分割出的各子光束同样是相干的,透镜焦平面上光强分布实际是无规位相板上的单个小位相单元衍射光强分布受到各个小位相单元衍射光束之间相互干涉所调制的结果,靶面上不可避免地存在干射散斑。4)随机相位板法RPP目前,此技术在不断发展,形成了一维、二维色散的宽带无规相位板(BRP)技术,利用某些激光的宽带特性,可加入色散元件来一定程度上平滑干涉散斑。5)谱色散光滑法SSDSSD主要包括宽频带光源和色散元件,位于光路的前端。SSD方法中利用电光晶体对单频激光电场的相位进行调制,可以得到宽频带光源。之后,经过一个线性色散元件,例如光栅,在ｘ或是ｙ方向上进行谱色散,这样,在谱色散方向上瞬时频率周期变化。5)谱色散光滑法SDD通常SSD要与RPP联合使用,经过调制和色散处理后的激光入射到RPP上时,不同基元的瞬时频率是不一样的,每个频率产生一套干涉图样,不同频率之间进行非相干叠加,从而实现靶面的均匀辐照。由于SSD是一维色散的,仅在ｘ或是ｙ方向上进行时间光滑化,因此,仍存在干涉花纹。6)二元光学法二元光学是指基于光波的衍射理论,利用计算机辅助设计,并用超大规模集成(VLSI)电路制作工艺,在片基上(或传统光学器件表面)刻蚀产生两个或多个台阶深度的浮雕结构,形成纯相位、同轴再现、具有极高衍射效率的一类衍射光学元件。二元光学元件具有重量轻、易复制、造价低等特点,并能实现传统光学难以完成的微小、阵列、集成及任意波面变换等新功能.7)全息相位板KPPKPP是一种利用二元光学技术实现光束光滑化的方法,可以认为相息图(kinoform)就是早期的二元光学元件。它具有衍射效率高、光斑轮廓可调的优点,是目前比较有希望的空间光滑化方法。小型的KPP已在许多地方得到应用,但小型KPP的制作方法不适用于ICF,因为ICF中的KPP要求有高的激光损伤阈值和大的光学口径.8)双折射晶体透镜组法劳伦兹·利弗莫尔国家实验室(LLNL)在其束元(beamlet)前端使用了一种新型的空间光束整形系统。该系统利用两对石英双折射透镜巧妙而方便地实现了激光束的空间整形。8)双折射晶体透镜组法8)双折射晶体透镜组法LLNL的空间整形系统由两对双折射晶体透镜Ｌ1,Ｌ2,Ｌ3,Ｌ4和一个检偏器Ｐ组成,晶体的主轴方向垂直于系统的光轴方向,透镜Ｌ1,Ｌ4是两个完全相同的平凸透镜,对于偏振光透镜中心相当于λ/2波片,距透镜中心ｒ0的边缘处相当于λ/4波片,两镜对称排列,Ｌ2,Ｌ3是两个完全相同的平凹透镜,透镜中心相当于λ/4波片,距透镜中心ｒ0的边缘处相当于λ/2波片,两镜对称放置,让透镜Ｌ1,Ｌ4的主轴平行并保持不动,透镜Ｌ2,Ｌ3的主轴平行并作为一个整体可以绕系统的光轴旋转至任意角度。8)双折射晶体透镜组法从前级激光放大器或振荡器中输出的线偏振光入射到该系统,经该系统后,光束的偏振态发生了变化,调节透镜对Ｌ2,Ｌ3的主轴与透镜对Ｌ1,Ｌ4主轴的夹角,入射到检偏器上的光束在不同的位置有不同的偏振态,经检偏器后的出射光可以被整形为中心部分平顶的光强较均匀的线偏振光。§4.2时间整形1.时间整形方法2.典型激光装置的脉冲整形系统1.时间整形方法1)时空变换法2)脉冲堆积法3)等离子体开关法4)慢调Q腔倒空法5)脉冲共轴传输法6)削波法7)波导调制器与集成光学法8)傅里叶光谱法9)受激布里渊散射法1)时空变换法原理:

激光脉冲入射至第一块电光偏转器后，完成时空转换，经过一个4f系统,在4f系统谱面上放置一个能对光强进行空间调制的透射屏,再由第二块电光偏转器复原，这样在第二块偏转器后就得到了经过整形的激光脉冲，改变屏上的透射率的空间分布，就可改变输出脉冲的时间波形。1)时空变换法时空变换脉冲整形系统示意图

2)脉冲堆积法脉冲堆积整形示意图3)等离子体开关法气体电离产生等离子体——多光子吸收过程和级联或碰撞的感应电离过程。气体击穿主要受最初出现在焦点处的自由电子的影响。一旦气体被击穿，在焦点区域等离子体向四周扩散，同时伴随着强烈的吸收现象，气体被快速加热，导致等离子体发生快速球形膨胀。在入射光方向上，激光的辐射能极快地注入焦点区，被等离子体吸收。等离子体的快速增长导致了入射光束的快速截断，从而产生了对激光脉冲的整形。

4)慢调Q腔倒空法对激光器光腔内损耗进行时间控制，使光腔内的损耗是一个可控的时间函数，腔倒空输出的脉冲波形、脉宽就受到了控制。常规的脉冲透射式调Q(腔倒空)技术中，将格兰棱镜与由电光晶体组成的普克尔盒组成一个输出光脉冲的组合器件。腔内光子数的变化率是加在普克尔盒上电压的函数，可通过控制普克尔盒上的电压来控制光腔损耗并进而控制腔内光子数密度的变化规律，并且完全可用设定规律控制，使之成为可控的函数.

4)慢调Q腔倒空法慢调Q腔倒空脉冲整形原理图

5)脉冲共轴传输法将产生的两个分离脉冲共轴传输，分别整形，独立调节，避免相互干扰。脉冲整形精度和动态范围受各种因素影响。用这种方法可以产生包括尖栅栏形脉冲在内的各种时间整形脉冲。6)削波法7)波导调制器与集成光学法波导调制器的工作原理:通过外加电场在晶体中产生电光效应，使导波光的传播特性发生变化而达到调制的目的。相位调制器:单一频率为ω的入射光经相位调制器上所加交变电场调制后，出射光除主频ω外，还出现了多个边带ω±nωm,ｎ=1,2,3,…，这正是相位调制器在脉冲整形中用于频带展宽的原理。7)波导调制器与集成光学法强度调制器:根据脉冲整形的需要，强度调制器工作在半波电压处，这时输出的是最小光强。在此基础上，加一定形状的电脉冲，即达到了光脉冲整形的目的。通过改变调制器的偏置电压，可以控制输出激光的强度，就可以获得形状符合要求的激光脉冲。7)波导调制器与集成光学法波导相位、强度调制器脉冲整形示意图7)波导调制器与集成光学法集成光学调制器:以集成光学和光纤技术替代了块状普克尔盒削波技术。核心元件是用于脉冲整形和频谱加宽的电光波导调制器，关键元件则是整形电脉冲发生器。集成光学调制器输出的整形激光脉冲的形状和宽度主要取决于输入调制器的整形电脉冲的形状和宽度。为了较灵活地控制整形激光脉冲的形状和宽度，要求对电脉冲的形状和宽度都能有效、灵活地控制。7)波导调制器与集成光学法利用集成光学方法进行激光脉冲整形，融入了目前最先进的技术:激光二级管泵浦的单纵模固体激光器技术集成光学电光波导调制技术单模保偏光纤传输技术。8)傅里叶光谱法原理：先使入射光脉冲的各频谱分量产生空间色散，然后用特制的掩模片进行光谱滤波，最后将各频率分量重新合并到一起，获得所需要形状的光脉冲。整形装置包括一对相同的透镜和光栅，两透镜共焦放置，组成1:1的开普勒望远镜。按要求设计的滤波膜片放置在透镜共焦面上，两光栅分别反平行放置在两透镜的另外两个焦平面上。8)傅里叶光谱法滤波膜片：1)利用微金属版图案技术制做的固定相位膜或振幅膜2)空间光调制器列阵

液晶空间光调制器声光偏转器3)可移动镜和变形镜4)照相底片9)受激布里渊散射法受激布里渊散射脉冲整形原理图

2.典型激光装置的脉冲整形系统1)SHIVA装置的脉冲整形系统

美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室1977整形系统由输出长、短脉冲的激光器组成，短脉冲系统为调Q锁模Nd:YAG激光器，通过改变腔内标准具的厚度和控制声光调制器射频功率的方法改变锁模脉冲的宽度，脉宽在0.09-1.1ns可调.到1980年，为了满足实验要求，在SHIVA上加了一套长脉冲整形系统，它由一台单纵模调QNd:YAG激光器和激光脉冲削波器组成.SHIVA具备了宽度从0.09-35ns可变的单脉冲输出能力2.典型激光装置的脉冲整形系统2)Nova装置的脉冲整形系统美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室1984两台主振荡器+电光调制器+脉冲压缩单元系统由单纵模激光器、光脉冲整形器和光脉冲削波器组成。光脉冲整形器是由高压复杂电脉冲驱动的普克尔盒和偏振器构成，光脉冲削波器则是由高压方波电脉冲驱动的普克尔盒和偏振器组成。脉冲宽度可调、脉冲形状可变:10ps~10ns2