[發明專利]緊湊型狹縫空間濾波器

無效

• 申請號: 201310268080.4
• 申請日: 2013-06-28
• 公開（公告）號: CN103309050A
• 公開（公告）日: 2013-09-18
• 發明（設計）人: 袁孝;熊晗;鄒快盛;張翔;張桂菊;封建勝;熊寶星
• 申請（專利權）人: 蘇州大學
• 主分類號: G02B27/46
• 分類號: G02B27/46
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 常亮

技術領域

本發明涉及光學空間濾波裝置技術領域，特別是涉及一種針對高功率激光系統的緊湊型狹縫空間濾波器。

背景技術

在高功率激光系統中，當光強達到5×10⁹W/cm²時，光學元件中的非線性效應便不能被忽略。另外，高功率激光系統中有大量的光學元件，由于光學元件表面以及內部的損傷點、污點和不均勻性以及光路中的灰塵和不均勻性等都會使得光束不可避免地受到空間調制。通過B積分理論可知，受空間調制的影響，光束中的部分中高頻成分會隨傳輸距離而出現非線性的迅速增長，導致光束出現小尺度自聚焦和成絲等非線性現象。調制使得空間頻譜中的中高頻率能量增強，造成光束近場的光強分布改變。高能量激光在介質中傳輸時，小尺度自聚焦是造成對介質的成絲破壞和光束質量下降以及引起激光能量損失的主要原因。同時由于部分中高空間頻率的能量增長較快，最終導致光束聚焦的時候光斑主瓣能量減少，而旁瓣能量變大。由此會加劇另外一個問題，即堵孔效應。能否有效解決堵孔問題影響到高功率激光器負載能力的提升。

總而言之，對于功率受限型激光器，如何有效抑制非線性增長較快的中高空間頻率，是保護光學元件、提高光束傳輸質量和減少能量損失的關鍵問題之一。

傳統的空間濾波器由一對正透鏡和位于透鏡共焦點上的一個濾波小孔組成。空間濾波器的第一個透鏡為聚焦透鏡，由于在焦平面上頻率越高相應離焦斑中心越遠，因此可以通過在焦平面上放置的濾波小孔將空間頻譜中的中高頻成份攔截掉，然后再經過空間濾波器第二個透鏡進行準直就實現了光束的低通過濾，改善波前質量，使輸出光束均勻化。除濾波之外，空間濾波器還具有其它幾個功能，主要包括像傳遞功能和口徑匹配功能。所謂像傳遞就是將輸入的光束無畸變地逐級成像向后一直傳輸到輸出面，通過縮短光束的有效傳輸距離，減小衍射效應以提高光束質量。綜上可知，采用空間濾波器來濾除光束中的中高頻成分，能有效的控制小尺度自聚焦現象，提高激光器的負載能力和輸出光束的質量目前已是高功率激光系統中不可或缺的關鍵裝置。

在空間濾波器中，最早的濾波小孔為一個帶圓孔的平面結構，即所謂的墊圈型濾波孔。隨著激光功率越來越大，濾波小孔上所承受的光功率密度也越來越大，超過一定閾值時，強激光與材料的相互作用會導致材料的離子化，并噴發等離子體造成堵孔。為將高功率激光系統所能傳輸的光功率進一步提高，必須對濾波小孔進行改進。后期出現的四葉型濾波孔的四條邊都不在同一個平面上，通過這種改進使得各邊上的等離子體爆發有一定的錯開，延遲了四周等離子體同時到達光路中心的堵孔時間。更進一步的改進為圓錐型濾波孔，錐孔內表面采用大角度、拋光面以避免材料對光能量的吸收，因此將原本光與出射端面的相互作用改成了光與更寬的入射端面的相互作用，拉遠了等離子體爆發處與光路中心的距離，使得堵孔時間增加近一倍。

傳統的針孔型空間濾波器將光束聚焦為點狀光斑，光斑強度極大，而濾波小孔在焦面上的截止半徑必須小于一定的尺寸才能有效濾除具有較快非線性增長的空間頻率。因此傳統的針孔型濾波器中的濾波小孔通常難免會受到強光輻照并造成堵孔。通過增大透鏡焦距可以放大焦斑面積，從而降低焦斑光強。因此盡管濾波孔的不斷改進使得高能激光系統的性能有不斷的提升，但在如今激光焦斑強度極高的情況下，為滿足系統濾波的要求，往往空間濾波器所采用的透鏡焦距達到十幾米甚至幾十米，而且為了防止空氣擊穿，系統更要求置于高真空環境中。

以美國國家點火裝置（NIF）為例，其傳輸空間濾波器（TSF）中光束聚焦的峰值強度達到10¹⁶W/cm²，要求環境的真空度達到10^-4Torr。另外在截止頻率達到39倍衍射極限時，為避免出現堵孔現象，空間濾波器的透鏡焦距長達29.7m，此時激光打在濾波小孔上的強度達到5×10¹¹W/cm²。系統總的192路光路中的傳輸空間濾波器所需的高真空環境體積加起來達到1843m³。

這些問題對于高功率激光系統的建造、使用和維護都提出了更苛刻的要求。為了解決空間濾波器系統冗長和高真空環境要求的問題，尤其是為了能夠降低截止頻率以進一步提高出射光束近場質量，我們對空間濾波器進行了進一步改進。