[發明專利]基于面型反射鏡組的焦斑快速移動調控系統及其調控方法

有效

• 申請號: 202010626584.9
• 申請日: 2020-07-01
• 公開（公告）號: CN111673269B
• 公開（公告）日: 2022-05-31
• 發明（設計）人: 范全平;曹磊峰;溫圣林;魏來;楊祖華;陳勇;張強強;劉東曉;王少義
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院激光聚變研究中心
• 主分類號: B23K26/046
• 分類號: B23K26/046;B23K26/064
• 代理公司: 成都佳劃信知識產權代理有限公司 51266
• 代理人: 史姣姣

本發明公開了一種基于面型反射鏡組的焦斑快速移動調控系統，采用同中軸線布設的長焦深反射鏡和多臺階反射鏡，在焦深區域獲得超光速、亞光速或者負光速等特定移動速度的焦斑。本發明能產生的快速移動焦斑在不同位置頻率成分不變，且焦斑移動速度與激光脈寬之間無內在關系。因此，在高功率激光與物質相互作用等強場領域具有重要的應用前景。

技術領域

本發明涉及激光聚焦技術領域，尤其是基于面型反射鏡組的焦斑快速移動調控系統及其調控方法。

背景技術

強場物理是近幾十年發展起來的一門嶄新學科，其主要研究強激光與物質相互作用過程中產生的新物理現象，并且是目前世界上非常活躍的前沿研究領域之一。強激光場的產生是開展強場物理研究的基礎條件，其得益于啁啾脈沖放大技術和大口徑光學元件聚焦技術，分別實現激光能量在時間上和空間上的匯聚。

目前，現有技術中的強場物理實驗中使用的焦斑在空間位置上都是固定的，且不隨時間變化。隨著科技技術的不斷發展，添加焦斑的動力學運動特征、產生在厘米范圍內可快速移動的高峰值功率密度焦斑，為強場物理研究增加了一個新的自由度，在光子加速、激光等離子體放大、尾波場加速、高次諧波產生和新型X射線源等方面具有廣泛的應用前景。

快速移動焦斑(sliding focus or flying focus)是一個比較新的概念，其分別由法國的A.Sainte-Marie團隊和美國的Dustin H.Froula團隊于2017年和2018年獨立提出，并發表于Optica和Nature Photonics期刊上。其中，A.Sainte-Marie團隊開展了可控移動速度焦斑的理論分析和數值模擬研究，并證明了通過適當地調節啁啾參數，不僅可實現焦斑的超光速、亞光速移動，還可實現焦斑的加速移動、減速移動、振蕩移動等；DustinH.Froula團隊開展了可控移動速度焦斑的驗證實驗研究，通過驗證實驗獲得了在4.5mm范圍內峰值功率趨于恒定(～1×1018W/cm2)的-0.09c(亞光速)和39c(超光速)的焦斑移動速度。如圖1(a)所示，現有技術中產生快速移動焦斑的工作原理是：采用色差聚焦系統對啁啾激光脈沖進行聚焦，將激光的不同頻率成分匯聚于不同空間位置，通過調節激光脈寬和啁啾參數等，實現聚焦光斑的同向(或反向)、亞光速(或超光速)移動。

上述技術的核心思想是：(1)采用啁啾脈沖技術將短激光脈沖的頻率成分在空間上分離，通過調節空間分離程度(即啁啾參數)來調控焦斑的移動速度；(2)采用色差聚焦系統將不同頻率成分聚焦于不同的焦距，設置與之匹配的啁啾參數，實現焦斑的宏觀移動。該技術的提出首次實現了高峰值功率密度焦斑的快速移動(～光速水平)，在國際上引起了不小的轟動，然而該技術存在以下不足好之處：從宏觀上看，焦斑在運動過程中的不同位置具有不同的頻率成分(或波長)，無法將其應用于一些對激光波長較為敏感的物理過程；由于頻率成分的空間分離，采用該技術產生焦斑的峰值功率密度比傳統聚焦技術弱一至三個數量級；采用該技術產生的焦斑移動速度與激光脈寬之間存在內在聯系，無法實現任一脈寬條件下特定速度的焦斑移動。

因此，急需要提出一種結構簡單、無色差、高損傷閾值的基于面型反射鏡組的焦斑快速移動調控方法及系統。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的在于提供一種基于面型反射鏡組的焦斑快速移動調控系統及其調控方法，本發明采用的技術方案如下：

基于面型反射鏡組的焦斑快速移動調控系統，包括同中軸線布設的長焦深反射鏡和多臺階反射鏡；所述長焦深反射鏡和多臺階反射鏡的面型與焦斑的移動速度滿足如下關系式：

其中，g(r)表示激光的波前函數，f(r)表示長焦深反射鏡的曲面函數，v_f(r)表示焦斑的移動速度，r表示徑向坐標；所述

所述多臺階反射鏡的面型函數為：

f_m(r)＝g_m(r)/2 (2)