线聚焦空间滤波器的制造方法
【专利摘要】一种用于激光系统的线聚焦空间滤波器，由多块柱面镜和两块带有中心狭缝的挡板构成。本发明既可以实现包括抑制小尺度自聚焦、实现像传递、级间隔离、光束扩束、杂散光规避等一系列高功率激光系统所必备的核心功能，又能够满足下一代高功率激光系统发展所需的高度集成化、紧蹙化的要求。
【专利说明】线聚焦空间滤波器
【技术领域】
[0001]本发明涉及滤波器，特别是一种线聚焦空间滤波器，特别是一种能够满足高功率激光系统高度集成化、紧蹙化要求的线聚焦空间滤波器。
【背景技术】
[0002]高功率激光系统中空间滤波器的成功引入使得其输出能力获得了质的飞跃，目前空间滤波器已成为高功率激光系统的标准配置，无论是国内的神光系列装置，还是美国的国家点火装置、法国的兆焦耳装置、日本的火神系列装置等都基于空间滤波器建造而成。由于空间滤波器集成了包括抑制小尺度自聚焦、实现像传递、级间隔离、光束扩束、杂散光规避等一系列高功率激光系统所涉及的核心问题，因此，空间滤波器在高功率激光系统中的地位极其重要并且不可替代。
[0003]但是，传统的空间滤波器在具备上述卓越功能的同时，又给整个高功率激光系统带来了一个非常大的不利因素，就是过于庞大的空间尺寸。以美国国家点火装置为例，其主放系统采用了两种规格的空间滤波器，焦距分别为11.75米和30米，从而导致其单路装置总长度达170米；国内在建的神光系列装置之一(神光II升级装置)尽管采用了折叠式主放设计，其单路装置总长度依然长达70米。如此庞大的系统使得装置的使用范围和使用效率受到了很大的限制。随着高功率激光相关领域的进一步发展，尤其是可移动式高功率激光装置和聚变点火电站等核心需求从概念逐渐走向实施的巨大需求推动下，目前现有的空间滤波器已成为阻碍高功率激光系统发展的关键瓶颈。
【发明内容】
[0004]为了克服传统空间滤波器技术的上述缺点，本发明提供一种用于激光系统的线聚焦空间滤波器，该线聚焦空间滤波器能够满足高功率激光系统高度集成化、紧蹙化的要求。
[0005]本发明基于相同原理，根据不同的应用需求有3种不同的技术解决方案，分别命名为独立分解型、组合型和融合型，其各自的具体的技术解决方案如下:
[0006]1、独立分解型
[0007]一种线聚焦空间滤波器，其特点在于该装置的构成自左至右包括共光轴的垂直放置的第一柱面镜、垂直放置的带有中心狭缝的第一挡板、垂直放置的第二柱面镜，水平放置的第三柱面镜、水平放置的带有中心狭缝的第二挡板和水平放置的第四柱面镜，所述的第一柱面镜的后焦线和第二柱面镜的前焦线共焦线，所述的第一挡板的狭缝中心与所述的第一柱面镜的后焦线和第二柱面镜的前焦线三者重合，所述的第三柱面镜的后焦线、第四柱面镜的前焦线和第二挡板的狭缝中心三者重合，所述第三柱面镜、第二挡板和第四柱面镜构成一体，该一体相对于第二柱面镜的距离可根据所处系统设计要求任意选取。
[0008]2、组合型
[0009]一种线聚焦空间滤波器，其特点在于该装置的构成自左至右包括共光轴的垂直放置的第一柱面镜、水平放置的第三柱面镜、垂直放置的中心带有中心狭缝的第一挡板、水平放置的带有中心狭缝的第二挡板、垂直放置的第二柱面镜和水平放置的第四柱面镜，所述的第一柱面镜、第二柱面镜为共焦放置，所述的第一挡板的狭缝中心与所述的第一柱面镜和第二柱面镜的共焦线重合；所述的第三柱面镜和第四柱面镜共焦放置，所述的第二挡板的狭缝中心与所述的第三柱面镜和第四柱面镜的共焦线重合，所述的第二挡板、第三柱面镜和第四柱面镜构成一体，该一体相对于第一柱面镜的距离可根据所处系统设计要求任意选取，但该距离不大于第一柱面镜的焦距。
[0010]3、融合型
[0011]一种线聚焦空间滤波器，其特点在于该装置的构成自左至右包括共光轴的第一两维柱面镜、垂直放置的中心带有狭缝的第一挡板、水平放置的中心带有狭缝的第二挡板和第二两维柱面镜，所述的第一两维柱面镜和第二两维柱面镜为共焦放置，且第一两维柱面镜和第二两维柱面镜的垂直柱面分量和水平柱面分量分别共焦；所述第一挡板的狭缝中心与所述的第一两维柱面镜和第二两维柱面镜的垂直分量的共焦线重合；所述的第二挡板的狭缝中心与所述的第一两维柱面镜和第二两维柱面镜的水平分量的共焦线重合。
[0012]本发明的技术效果是:
[0013]上述线聚焦空间滤波器装置(包含三种类型)除了可以直接代替传统空间滤波器实现包括抑制小尺度自聚焦、实现像传递、级间隔离、光束扩束、杂散光规避等一系列核心功能之外，其更重要的优势在于
[0014]1、缩小光路规模。由物理光学中光束的聚焦特性可以得知，透镜的F数决定了聚焦靶面的能量密度分布。高功率激光系统中传统的空间滤波器之所以设计成长达十几米甚至几十米的焦距长度，其主要的受限因素是滤波孔周围光束焦斑的功率密度。如果空间滤波器透镜焦距过短，将使得滤波孔周围材料由于过高的功率密度以等离子体的形态向孔中心喷射，从而对后续脉冲产生严重影响，恶化光束质量，制约系统输出性能，甚至引起后续元件损伤。相比于传统空间滤波器装置，线聚焦空间滤波器装置通过正交两维独立聚焦滤波的方式，以长条形焦线代替传统空间滤波器的点状焦斑，从而使得相同焦距下，聚焦区的功率密度降低2?3个量级。在其他分系统允许的前提下，这足以保证使用线聚焦空间滤波器的高功率激光系统的总体尺寸以量级缩小。而整体光路尺寸的大幅缩小正是目前众多研究需求，如可移动式高功率激光系统、激光驱动惯性约束电站等所孜孜以求的。
[0015]2、保障重频运行。相比于目前单发运行的高功率激光系统，重频运行的高功率激光系统存在“积少成多”的工程风险。即使是目前超长的空间滤波器设计，其滤波孔靶面周围依然存在少量的由于激光照射导致的材料气化和等离子体喷射。这些在长期重频运行的环境中将势必不断积累，最终污染光学元件，引起损伤阈值下降，从而导致元件损伤。线聚焦空间滤波器由于可以成量级地降低滤波孔附近的光束功率密度，因此，可以极大地改善这一问题。
[0016]3、简化系统构件。由于线聚焦空间滤波器可以成量级地降低焦面处的激光功率密度，这使得该类空间滤波器中光束的击穿风险大大降低。相比于传统空间滤波器，其对空间滤波器内部的真空度要求大大降低，从而简化了真空系统设备要求，甚至在低能量阶段可以省去真空设备。这一点为系统的进一步简化、集成提供了方便。
【专利附图】
【附图说明】[0017]图1是现有传统空间滤波器装置示意图
[0018]图中:101 —输入光束，102 —空间滤波器入射透镜，103 —滤波孔板，104 —空间滤波器出射透镜，105 一输出光束，106 一所述空间滤波器出射透镜的焦距，107 一所述空间滤波器入射透镜的焦距，108 一系统光轴，109 一参考坐标系竖直轴，110 一参考坐标系水平轴。
[0019]图2是传统空间滤波器焦点和线聚焦空间滤波器焦线示意图
[0020]图中:201 —传统空间滤波器“点状”焦点，202 —线聚焦空间滤波器“线状”焦线
[0021]图3是本发明线聚焦空间滤波器装置中独立分解型的示意图
[0022]图中:301 —光轴，302 —输入光束，303 —第一垂直放置柱面镜，304 —垂直放置的中心带有狭缝的挡板，305 —所述第一块垂直放置的柱面镜的后焦线，同时也是第二块垂直放置的柱面镜的前焦线，306 —第二垂直放置柱面镜，307 —第一块水平放置的柱面镜，308 一水平放置的中心带有狭缝的挡板，309 —所述第一块水平放置的柱面镜的后焦线，同时也是第二块水平放置的柱面镜的前焦线，310 —第二块水平放置柱面镜，311 —输出光束，312 —所述第二块水平放置柱面镜的焦距，313 —所述第一块水块平放置柱面镜的焦距，314 —所述第一块水平放置的柱面镜相对于第二块垂直放置的柱面镜的距离，315 —所述第二块垂直放置柱面镜的焦距，316 —所述第一块垂直放置柱面镜的焦距，317 —参考坐标系竖直轴，318 —参考坐标系水平轴。
[0023]图4是本发明线聚焦空间滤波器装置中组合型的示意图
[0024]图中:401 —输入光束，402 —第一垂直放置柱面镜，403 —第一块水平放置的柱面镜，404 —垂直放置的中心带有狭缝的挡板，405 —所述第一块垂直放置的柱面镜的后焦线，同时也是第二块垂直放置的柱面镜的前焦线，406 —水平放置的中心带有狭缝的挡板，407 一所述第一块水平放置的柱面镜的后焦线，同时也是第二块水平放置的柱面镜的前焦线，408 —第二块垂直放置柱面镜，409 —第二块水平放置柱面镜，410 —输出光束，411 一所述第二块水平放置柱面镜的焦距，412 —所述第二块垂直放置柱面镜的焦距，,413 一所述第一块水平放置柱面镜的焦距，414 一所述第一块垂直放置柱面镜的焦距，415 —所述第一块水平放置的柱面镜相对于第一块垂直放置的柱面镜的距离，416 —光轴，417 —参考坐标系竖直轴，418 —参考坐标系水平轴。
[0025]图5是本发明线聚焦空间滤波器装置中融合型的示意图
[0026]图中:501 —输入光束，502 —第一块两维柱面镜，503 —垂直放置的中心带有狭缝的挡板，504 —所述第一块两维柱面镜的垂直柱面分量的后焦线，同时也是第二两维柱面镜垂直柱面分量的前焦线，505 —水平放置的中心带有狭缝的挡板，506 —所述第一两维柱面镜的水平柱面分量的后焦线，同时也是第二两维柱面镜水平柱面分量的前焦线，407 —第二块两维柱面镜，508 —输出光束，509 —第二块两维柱面镜垂直柱面分量的焦距，510 —第二块两维柱面镜水平柱面分量的焦距，511 —第一块两维柱面镜水平柱面分量的焦距，512 -第一两维柱面镜的垂直柱面分量的焦距，513 —光轴,514 —参考坐标系竖直轴,515 —参考坐标系水平轴。
【具体实施方式】
[0027]下面结合实例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
[0028]先请参阅图3?图5，图3是本发明线聚焦空间滤波器装置中独立分解型的示意图，图4是本发明线聚焦空间滤波器装置中组合型的示意图，图5是本发明线聚焦空间滤波器装置中融合型的示意图。
[0029]本发明基于相同原理，根据不同的应用需求有3种不同的技术解决方案，分别如下:
[0030]1、独立分解型
[0031]独立分解型线聚焦空间滤波器的基本原理是将原有空间滤波器两维聚焦滤波功能分解为正交的两维独立的聚焦滤波过程，并将其通过两个正交级联的线聚焦空间滤波器来实现。该装置的构成自左至右包括垂直放置的第一柱面镜303、垂直放置的中心带有狭缝的第一挡板304、第二柱面镜306，水平放置的第三柱面镜307、中心带有狭缝的第二挡板308和第四柱面镜310，所述的第一柱面镜303的后焦线305和第二柱面镜306的前焦线305共焦线，所述的第一挡板304的狭缝中心与所述的第一柱面镜303的后焦线305和第二柱面镜306的前焦线305重合，所述的第三柱面镜307的后焦线、第四柱面镜310的前焦线和第二挡板308狭缝中心三者重合，所述水平放置的第三柱面镜307相对于第二柱面镜306之间的距离314可根据所处系统设计要求任意选取。
[0032]2、组合型
[0033]该装置的构成自左至右包括共光轴的垂直放置的第一柱面镜402、水平放置的第三柱面镜403、垂直放置的中心带有狭缝的第一挡板404、水平放置的中心带有狭缝的第二挡板406、垂直放置的第二柱面镜408和水平放置的第四柱面镜409，所述的第一柱面镜402、第二柱面镜408为共焦放置，所述的第一挡板404的狭缝中心与所述的第一柱面镜402和第二柱面镜408的共焦线405重合；所述的第三柱面镜403和第四柱面镜409共焦放置，所述的第二挡板406的狭缝中心与所述的第三柱面镜403和第四柱面镜409的共焦线407重合，所述的第二挡板406、第三柱面镜403和第四柱面镜409构成一体，该一体相对于第一柱面镜402的距离415可根据所处系统设计要求任意选取，但该距离不大于第一柱面镜402的焦距。
[0034]3、融合型
[0035]融合型线聚焦空间滤波器包含两块两维柱面镜502、507，一个垂直放置的中心带有狭缝的挡板503，一个水平放置的中心带有狭缝的挡板505，所述所有元件的轴向对称中心轴与系统光轴513重合；从左到右依次为:第一两维柱面镜502、垂直放置的中心带有狭缝的挡板503、水平放置的中心带有狭缝的挡板505、第二两维柱面镜507 ;所述两块两维柱面镜502、507为共焦放置，即在垂直方向514，所述两块两维柱面镜的垂直柱面分量共焦，在水平方向上所述两块两维柱面镜的垂直柱面分量也共焦；所述垂直放置的中心带有狭缝的挡板503与两块两维柱面镜的垂直分量的共焦线504共面，且所述挡板面垂直于光轴513，并且所述挡板的狭缝中心与两块两维柱面镜的垂直分量的共焦线504重合；所述水平放置的中心带有狭缝的挡板505与两块两维柱面镜的水平分量的共焦线506共面，且所述挡板面垂直于光轴513，并且所述挡板的狭缝中心与两块两维柱面镜的水平分量的共焦线506重合。
[0036]本发明的特点是:[0037]1、上述三种类型线聚焦空间滤波器:独立分解型、组合型和融合型都可以代替现有空间滤波器，实现高功率激光系统所必须的包括括抑制小尺度自聚焦、实现像传递、级间隔离、光束扩束、杂散光规避等一系列核心功能；
[0038]2、上述三种类型线聚焦空间滤波器由于采用了将传统聚焦滤波分解为独立的两维正交的滤波过程，并且在沿光轴方向不同位置实现的方法，使得滤波孔附近的聚焦功率密度大幅降低，从而使高功率激光系统中空间滤波器的小型化成为可能。
[0039]3、基于线聚焦的空间滤波器系统不仅可以获得紧凑的光路系统设计，同时也为高功率激光系统的高重频运行提供了一定条件；同时也降低了整个装置真空系统的要求，为装置的进一步集成提供了便利。
【权利要求】
1.一种线聚焦空间滤波器，其特征在于该装置的构成自左至右包括共光轴的垂直放置的第一柱面镜(303)、垂直放置的带有中心狭缝的第一挡板(304)、垂直放置的第二柱面镜(306)，水平放置的第三柱面镜(307)、水平放置的带有中心狭缝的第二挡板(308)和水平放置的第四柱面镜(310)，所述的第一柱面镜(303)的后焦线和第二柱面镜(306)的前焦线共焦线，所述的第一挡板(304)的狭缝中心与所述的第一柱面镜(303)的后焦线和第二柱面镜(306)的前焦线三者重合，所述的第三柱面镜(307)的后焦线、第四柱面镜(310)的前焦线和第二挡板(308)的狭缝中心三者重合，所述第三柱面镜(307)、第二挡板(308)和第四柱面镜(310)构成一体，该一体相对于第二柱面镜(306)的距离(314)可根据所处系统设计要求任意选取。
2.一种线聚焦空间滤波器，其特征在于该装置的构成自左至右包括共光轴的垂直放置的第一柱面镜(402)、水平放置的第三柱面镜(403)、垂直放置的中心带有狭缝的第一挡板(404),水平放置的中心带有狭缝的第二挡板(406)、垂直放置的第二柱面镜(408)和水平放置的第四柱面镜(409)，所述的第一柱面镜(402)、第二柱面镜(408)为共焦放置，所述的第一挡板(404)的狭缝中心与所述的第一柱面镜(402)和第二柱面镜(408)的共焦线(405)重合；所述的第三柱面镜(403)和第四柱面镜(409)共焦放置，所述的第二挡板(406)的狭缝中心与所述的第三柱面镜(403)和第四柱面镜(409)的共焦线(407)重合，所述的第二挡板(406)、第三柱面镜(403)和第四柱面镜(409)构成一体,该一体相对于第一柱面镜(402)的距离(415)可根据所处系统设计要求任意选取，但该距离不大于第一柱面镜(402)的焦距。
3.一种线聚焦空间滤波器，其特征在于该装置的构成自左至右包括共光轴的第一两维柱面镜(502)、垂直放置的中心带有狭缝的第一挡板(503)、水平放置的中心带有狭缝的第二挡板(505)和第二两维柱面镜(507)，所述的第一两维柱面镜(502)和第二两维柱面镜(507 )为共焦放置，且第一两维柱面镜(502 )和第二两维柱面镜(507 )的垂直柱面分量和水平柱面分量分别共焦；所述第一挡板(503)的狭缝中心与所述的第一两维柱面镜(502)和第二两维柱面镜(507)的垂直分量的共焦线(504)重合；所述的第二挡板(505)的狭缝中心与所述的第一两维柱面镜(502 )和第二两维柱面镜(507 )的水平分量的共焦线(506 )重合。
【文档编号】G02B27/09GK103543527SQ201310554401
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年11月11日 优先权日:2013年11月11日
【发明者】高妍琦, 冯伟, 曹兆栋, 杨学东, 夏兰, 刘海辉, 马伟新, 朱俭, 戴亚平 申请人:上海激光等离子体研究所