[發明專利]濾波裝置及抑制等離子體堵孔和減弱激光燒蝕效應的方法

無效

• 申請號: 201110393826.5
• 申請日: 2011-12-02
• 公開（公告）號: CN102393570A
• 公開（公告）日: 2012-03-28
• 發明（設計）人: 譚一舟
• 申請（專利權）人: 譚一舟
• 主分類號: G02B27/46
• 分類號: G02B27/46
• 代理公司: 湖南省國防科技工業局專利中心 43102
• 代理人: 馮青

技術領域

本發明涉及一種光學濾波裝置，特別是一種用于改善高功率激光器的輸出光束質量的空間低通濾波裝置。

背景技術

在高功率激光系統中，針孔空間濾波器是改善光束質量必不可少的器件。但是，激光束在針孔附近聚焦，對光闌產生燒蝕效應。強激光激發的等離子體產生堵孔效應，對激光器提升輸出功率起阻礙作用。

美國國家點火裝置中，單路激光的能量不低于20千焦耳(10ns級)。空間濾波器的光闌直徑典型值1.2-6mm、透鏡焦距≥900cm，采用圓錐形針孔減輕激光對光闌的燒蝕程度、并抑制等離子體堵孔效應(James?E.，Murray，David?Milam?et?al，Spatial?filter?pinhole?development?for?the?National?Ignition?Facility，Vol.39，No.9，APPLIED?OPTICS20，P1405?2000)。俄國應用物理研究所通過合理選擇焦距和優化針孔的形狀，提高空間針孔濾波器可承載的功率。例如，優化設計的針孔濾波器可承載300焦耳(1納秒級)激光。針孔直徑約1mm，濾波帶寬3-4倍衍射極限(A.K.Potemkin，T.V.Barmashova?et?al，Spatial?filters?for?high-peak-power?multistage?laser?amplifiers，APPLIED?OPTICS，Vol.46，No.20，P4423，2007)。

中國工程物理研究院報道：光闌錐形孔優于平面孔，使用高Z值(atomic?number?Z)材料能有效減少等離子體濺射物。錐形孔內等離子體需要更長的時間擴散到小孔中心，使得堵孔和濾波的矛盾被有效化解(張鑫，代萬俊等，高功率激光系統空間濾波小孔等離子體特性，強激光與粒子束，Vol.22，No.12，P2921，2010)。

以上文獻報道的改進空間濾波器的措施，均使用“球面透鏡+針孔光闌”的構形，透鏡的焦斑呈圓形。從理論角度看，針孔(圓形通光孔徑)的直徑越小、角譜低通濾波的效果越好。而從實驗角度看，針孔光闌是進一步提升濾波器可承載激光功率的瓶頸。

專利200910312157.7提供一種避免等離子體堵孔的方法，其衍射型空間濾波器中無透鏡、激光束不聚焦，且無針孔光闌，從而排除了強光燒毀濾波器件的可能性。但其光軸是一條BCDEF折線，而某些激光器需要濾波器具有直線光軸。該濾波器中，體積光柵具有分層結構，但沒有采用相移和切趾相結合的方法抑制角譜的旁瓣、使得該裝置的波長選擇性和角譜選擇性指標難以兼優。

發明內容

傳統針孔濾波器中，球面透鏡使激光聚焦，在針孔光闌處形成焦斑主瓣、旁瓣。在低功率運行條件下，聚焦光斑對光闌的損傷可以忽略不計。在吉瓦級高功率運行條件下，“球面透鏡+針孔光闌”的不合理性體現在：(1)在焦斑主瓣的功率密度高于5GW/cm²的條件下，容易引發等離子體濺射、堵孔效應；(2)針孔通光面積較小，焦斑旁瓣造成光闌材料的燒蝕效應。

本發明的目的之一，是在不用球面透鏡聚焦、不用針孔(圓形)光闌的前提下，獲得與傳統針孔空間濾波器相同的濾波效果。本發明的另一個目的，是用雙焦斑透鏡、橢圓形(條形)光闌(以及相移-切趾型體積光柵、折射-衍射光學元件和配套技術)，抑制等離子體堵孔效應、減弱會聚光束對光闌的燒蝕效應，使得新型空間濾波器的功率承載能力高于同尺寸的針孔濾波器；例如，使新型濾波器低通角譜寬度不大于150微弧度、可承載的激光功率密度不小于5GW/cm²(波長1微米量級，脈沖寬度0.1-10ns)。

本發明提供一種空間低通濾波裝置，包括無焦斑濾波部件、激光增益介質、雙焦斑濾波部件、輸入-脈沖展寬部件、脈沖壓縮-輸出部件；裝置的第一種布局為：在裝置上部的水平直線光軸上，自左往右安放無焦斑濾波部件、激光增益介質和雙焦斑濾波部件；在裝置的左下角，即無焦斑濾波部件的下方，安放輸入-脈沖展寬部件；在裝置的右下角，即雙焦斑濾波部件的下方，安放脈沖壓縮-輸出部件。

第二種布局是：雙焦斑濾波部件與激光增益介質串聯組成可獨立運行的濾波器件，或無焦斑濾波部件與激光增益介質串聯組成可獨立運行的濾波器件。

各部件的結構特征為：

無焦斑濾波部件(b)的內部自左往右放置1塊用于鉛直面濾波的體積光柵、1個半波片和1塊用于水平面濾波的體積光柵；所述體積光柵為相移-切趾型，利用布喇格衍射(反射)效應抑制角譜的旁瓣。