[發(fā)明專利]一種長(zhǎng)焦深非球面反射鏡曲面結(jié)構(gòu)確定方法及系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810707795.8
• 申請(qǐng)日: 2018-07-02
• 公開（公告）號(hào): CN108873322B
• 公開（公告）日: 2020-09-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 范全平;曹磊峰;魏來;王少義;楊祖華;張強(qiáng)強(qiáng);陳勇;巫殷忠
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心
• 主分類號(hào): G02B27/00
• 分類號(hào): G02B27/00
• 代理公司: 北京高沃律師事務(wù)所 11569
• 代理人: 王戈

本發(fā)明公開了一種長(zhǎng)焦深非球面反射鏡曲面結(jié)構(gòu)確定方法及系統(tǒng)。采用所述長(zhǎng)焦深非球面反射鏡曲面結(jié)構(gòu)確定方法及系統(tǒng)，能夠確定長(zhǎng)焦深非球面反射鏡的曲面結(jié)構(gòu)，從而根據(jù)所述曲面結(jié)構(gòu)制備具有均勻長(zhǎng)焦深特性的非球面反射鏡，根據(jù)所述曲面結(jié)構(gòu)制備的非球面反射鏡，與現(xiàn)有拋物面反射鏡相比，技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度相當(dāng)，可以實(shí)現(xiàn)與之相同的橫向焦斑尺寸，還可以將焦深拉長(zhǎng)10～100倍，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了小焦斑和長(zhǎng)焦深特性，因此在高功率激光與物質(zhì)相互作用等強(qiáng)場(chǎng)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及反射式聚焦光學(xué)器件設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種長(zhǎng)焦深非球面反射鏡曲面結(jié)構(gòu)確定方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

在高強(qiáng)度激光聚焦領(lǐng)域，往往需要用到大口徑的光學(xué)透鏡或反射鏡。其中，透鏡是利用光的折射原理進(jìn)行聚焦，當(dāng)入射激光脈沖是超短脈沖(比如飛秒級(jí)別的激光脈沖)時(shí)，此時(shí)具有較寬的帶寬，由于折射元件對(duì)不同頻率具有不同的折射角，因此不可避免的存在色散問題。相比之下，反射鏡是利用光的反射原理進(jìn)行聚焦，對(duì)頻率信息不敏感，當(dāng)用于超短脈沖聚焦時(shí)能夠很好的解決色散問題，因此反射鏡在高強(qiáng)度激光聚焦領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。并且，激光聚焦中主要使用的聚焦反射鏡是拋物面鏡。

對(duì)于拋物面鏡，在理想情況下，當(dāng)入射光嚴(yán)格平行于光軸時(shí)，反射光完全匯聚于焦點(diǎn)處，故具有無球差、光擾動(dòng)小，耐用性高等優(yōu)點(diǎn)。目前，拋物面鏡是聚焦高強(qiáng)度超短激光脈沖的主要手段。經(jīng)拋物面鏡聚焦后，可在焦點(diǎn)處獲得功率密度范圍為10¹⁶W/cm²～10²⁰W/cm²的強(qiáng)激光場(chǎng)。然而，經(jīng)拋物面鏡聚焦后的光場(chǎng)為高斯光場(chǎng)，不存在長(zhǎng)焦深特性，其焦斑半徑R與瑞利長(zhǎng)度Z_L滿足以下關(guān)系：Z_L＝4πR²/λ。例如，當(dāng)R＝10μm、λ＝1.064μm時(shí)，高斯光場(chǎng)的焦深長(zhǎng)度2Z_L為2.36mm。由計(jì)算可知，其焦深長(zhǎng)度是比較窄的。

由于受到高斯光場(chǎng)本身性質(zhì)的限制，焦深的拉長(zhǎng)必然導(dǎo)致焦斑的增大，無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)小焦斑和長(zhǎng)焦深。然而，具有長(zhǎng)焦深特征的高強(qiáng)度光場(chǎng)在高次諧波產(chǎn)生、真空電子加速、X射線激光等強(qiáng)場(chǎng)領(lǐng)域存在重大的應(yīng)用需求。因此，如何提供一種具有均勻長(zhǎng)焦深特性的非球面反射鏡，并將其應(yīng)用于高強(qiáng)度激光聚焦領(lǐng)域，是本領(lǐng)域亟需解決的技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種長(zhǎng)焦深非球面反射鏡曲面結(jié)構(gòu)確定方法及系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有拋物面鏡無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)小焦斑和長(zhǎng)焦深的問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

一種長(zhǎng)焦深非球面反射鏡曲面結(jié)構(gòu)確定方法，所述方法包括：

獲取激光截面光強(qiáng)分布和光強(qiáng)能量守恒方程；

根據(jù)所述激光截面光強(qiáng)分布和所述光強(qiáng)能量守恒方程確定焦深區(qū)域軸向距離與入射光半徑的對(duì)應(yīng)關(guān)系；

根據(jù)所述對(duì)應(yīng)關(guān)系確定波前函數(shù)；

根據(jù)等光程原理，利用所述波前函數(shù)反推出所述長(zhǎng)焦深非球面反射鏡的曲面結(jié)構(gòu)。

可選的，所述根據(jù)所述激光截面光強(qiáng)分布和所述光強(qiáng)能量守恒方程確定焦深區(qū)域軸向距離與入射光半徑的對(duì)應(yīng)關(guān)系，具體包括：

根據(jù)所述激光截面光強(qiáng)分布I_σ(r)求解所述光強(qiáng)能量守恒方程獲得所述焦深區(qū)域軸向距離與入射光半徑的對(duì)應(yīng)關(guān)系z(mì)(r)；其中r表示入射光半徑；I_σ(r)表示激光截面光強(qiáng)分布；z(r)為所述焦深區(qū)域軸向距離與入射光半徑的對(duì)應(yīng)關(guān)系；f₁為焦深長(zhǎng)度的上限；I_z(z)表示經(jīng)反射鏡聚焦后所需的焦深區(qū)域的軸向光強(qiáng)分布；z表示焦深區(qū)域的軸向距離。

可選的，所述根據(jù)所述對(duì)應(yīng)關(guān)系確定波前函數(shù)，具體包括：

根據(jù)所述對(duì)應(yīng)關(guān)系z(mì)(r)求解波前函數(shù)方程獲得所述波前函數(shù)