专利名称：列阵柱面透镜线聚焦系统的制作方法
技术领域：
本发明是属于光学和激光技术领域的一种线聚焦系统。它能把光束会聚成细而长(高纵横比)，光强分布均匀，直线性良好的焦线，特别适合于X射线激光的研究，也适用于激光热处理和极端物理条件(大于107°K的高温，大于106大气压的高气压)物质状态的研究。
这类激光线聚焦系统，目前国际所用的，主要有二种一种是由一个单柱面透镜与一个会聚透镜组合而成，在会聚透镜焦点处可以获得焦线，在光路中放置内接方形光栏可以获得光强分布均匀的激光焦线。例如，美国洛仑兹·列弗莫尔国家实验室的X射线激光研究中使用的就是这种系统(L.G Sappala，Laser Program Annual Report 84 Lawrence Livermore Nafional Laboratory P2-47，48，51)。另一种是用离轴球面反射镜与一个会聚透镜组合而成。同样在光路中必须放置一个近似方形的光栏以获得光强分布均匀的激光焦线。这种系统是英国卢瑟福实验室发明并使用的(I.N Ross et al J·Phys.E·Sci Instrum Vol 18 1985 P169-172及Appl Opt Vol 26 No9 P1585-1586)。
上述二种激光线聚焦系统有一共同的缺点，那就是为了获得光强分布均匀的焦线均必须在光路中放置内接方形光栏，而方形光栏将要档掉(或称损失)30%以上的被会聚的激光能量。因为，被会聚的激光光束截面一般都是圆形，而激光焦线上任何一点的光强将决定于入射光束上垂直于焦线长度方向某相应的一条线上的光强总和。因此，焦线长度方向的中间部分光强比较强，而二边逐渐减弱直至焦线二端点附近的光强为零。为了使焦线光强分布均匀，就必须采取插入方形光栏的方法以档掉四边不均匀的部分。被档掉的这部分的激光能量约占30%，这是非常可惜的。另外，如果入射激光束截面内光强的空间分布是不均匀的(如通常所说的中心光强比较强，并逐渐向边缘减弱的高斯型分布)，那么即使加方形光栏也还是得不到光强分布均匀的激光焦线。
本发明的线聚焦系统其目的就是为了克服上述系统的缺点和困难，发明了一种既可以产生细而长(高纵横比)，光强分布均匀的，高质量的激光焦线，又可以不损失被会聚的激光能量的线聚焦系统，即列阵柱面透镜线聚焦系统。
本发明的系统是用多块(2块以上)相同宽度d，相同焦距fc，长条形的单元柱面透镜对称的平行排列，侧面胶合而成的柱面透镜列阵与一个会聚透镜组成。其结构示意于图1。多块柱面透镜胶合后的列阵可以磨成圆形，配以玻璃圆框，列阵的直径可以稍大于被会聚光束的直径。当截面为圆形的光束入射到整齐排列的柱面透镜列阵上时，经过每块长条形单元柱面透镜均和会聚透镜产生一条符合长度要求但光强分布不均匀的光焦线。因为单元柱面透镜是对称排列的，虽然对于任何一个单元柱面透镜与会聚透镜所形成的焦线其光强分布是不均匀的，但与该单元柱面镜相对称的另一单元柱面透镜所产生的光焦线的不均匀光强分布其强弱恰恰相反，两者叠加后相互补偿，变成一条光强分布比较均匀的焦线。这样列阵柱面透镜上所有单元柱面透镜与会聚透镜所产生的焦线都在会聚透镜的焦点处叠加，叠加后的焦线其光强分布相互补偿、平均，最后成为一条细而长，光强分布均匀的理想的光焦线。它的光路示意图如图2所示。
本发明的列阵柱面透镜线聚焦系统中，每个单元长条柱面透镜的宽度、焦距可以根据要求设计确定。它们的相互关系是
L= (D·f)/(n·fc)其中，L要求的焦线长度。
D被会聚的激光光束的口径。
f会聚透镜的焦距。
fc单元柱面透镜的焦距。
n列阵的单元柱面透镜块数。
一般来说，D、f都是已知的，L是根据实验或使用要求提出的，n应根据L和D的数值选择，通常单元柱面透镜的宽度应大于焦线长度。即(D/n)＞L，其中n＞2，n的数目越大，焦线的均匀性越好，但n不易选择太大，否则加工比较困难。当n确定后，fc就可以求得，单元柱面透镜的宽度D/n也可以求得。如果加工成平凹或平凸柱面透镜，那么单元柱面透镜凹或凸面的曲率半径约为fc/α。当然也可以加工成双凹，双凸等形式的柱面透镜。
本发明的优点为(1)本发明线聚焦系统由于采用多块柱面透镜产生多条焦线的叠加，因而获得光强分布均匀的焦线。且充分利用被会聚光束口径内的所有的光线。因而不损失被会聚的入射光的能量。
(2)由于多条焦线叠加的平均，因此本发明的线聚焦系统对被会聚的光束的空间光强分布均匀性的要求大大降低。即使在光束光强空间分布明显不均匀的情况下，同样可以获得光强均匀分布之焦线。
(3)在同样的输出激光能量下，由于本系统充分使用被会聚激光能量，所以产生的焦线有更高的线功率密度。
(4)本发明线聚焦系统可以降低被会聚激光装置造价，这是由于上述优点而引出的直接经济效果，节省能量，最低限度可以节约30%的光能量。
(5)本发明的线聚焦系统可用于X射线激光、X射线等离子体的研究。激光热处理的应用以及极端物理条件(大于107°K超高温，大于106大气压的超高气压)物质特性的研究等。
图1，柱面透镜列阵结构示意图其中1-柱面透镜列阵玻璃边框。
2-单元柱面透镜3-单元柱面透镜侧边胶合缝。
图2，列阵柱面透镜线聚焦系统会聚光路图。2-A为顶视剖面图。
2-B为侧视剖面图。
其中4-被会聚光光束。
5-6个单元柱面透镜列阵6-会聚透镜7-会聚于透镜焦点处的入射光焦线。
图3，6个单元列阵柱面透镜系统与单个柱面透镜系统的焦线光强分布曲线的比较其中，曲线8是单个柱面透镜系统产生的焦线光强分布，其光强分布很不均匀。
曲线9是6个单元柱面透镜列阵系统所产生焦线的光强分布。
其光强分布是均匀的，光强分布的不均匀性小于5%。
纵座标I为相对光强数值。
横座标L为被会聚光的焦线长度方向的距离位置，单位为mm。
最佳实施例列阵柱面透镜线聚焦系统在X射线激光实验研究中充分发挥其优点。
(1)用6个单元平凹柱面透镜的列阵与一个会聚透镜组成的线聚焦系统聚焦激光光束(图1，图2)。在入射激光束口径D＝180mm，单元平凹柱面透镜宽度d＝D/6＝30mm，凹面曲率半径R＝260mm，焦距fc＝520mm，会聚透镜的焦距f＝340mm的条件下，该系统产生的激光焦线长度L＝20mm，宽度约为0.1mm。
焦线的光强分布如图3所示，比较单个柱面透镜系统和6个单元柱面透镜列阵系统所产生的焦线光强分布曲线。很显然，列阵柱面透镜系统的焦线光强分布均匀具有明显的优越性。
(2)用本发明的6个单元列阵柱面透镜线聚焦系统所产生的高功率激光焦线辐照锗(Ge)平面靶，获得19.6nm，23.2nm，23.6nm，24.7nm和28.6nm波长的软X射线激光的输出。
同样的系统产生20mm长的高功率激光焦线辐照硅(Si)平面靶，在国际上首次获得8.73nm，8.89nm波长的软X射线激光的输出。
这些结果充分说明本聚焦系统所产生的激光焦线光强分布均匀功率密度高所能带来的效果。
权利要求
1.一种列阵柱面透镜线聚焦系统，由柱面透镜和会聚透镜所组成，其特征在于柱面透镜是由多于两块的相同宽度d，相同曲率半径R，长条形的单元柱面透镜对称平行排列，侧面胶合而成的一柱面透镜列阵，其参数符合公式L= (D·f)/(n·fc)式中L-为焦线长度，D-被会聚的激光光束口径，f-会聚透镜的焦距，fc-单元柱面透镜的焦距，n-为单元柱面透镜的数目。
2.根据权利要求1所述的一种列阵柱面透镜线聚焦系统，其特征在于单元柱面透镜是平凹、平凸或双凹或双凸形的。
3.根据权利要求1或2所述的一种列阵柱面透镜线聚焦系统，其特征在于单元柱面透镜的数目n＞2。
全文摘要
本发明是一种列阵柱面透镜线聚焦系统，是由多于两块的相同宽度d，相同焦距fc，长条形的单元柱面透镜对称平行排列，侧面胶合而成的柱面透镜列阵与一个会聚透镜组成，应用本发明的聚焦系统能够获得细而长，光强分布均匀，功率密度较高的光焦线，可以用于X射线激光，X射线等离子体的研究，激光热处理以及极端物理条件大于1070K的高温和大于106大气压的高气压)的物质特性的研究。
文档编号G02B7/04GK1052956SQ8910960
公开日1991年7月10日 申请日期1989年12月25日 优先权日1989年12月25日
发明者陈万年, 王树木, 陈斌 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所