一种纵向局部扩束三倍频激光终端光学系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及高功率激光领域，尤其涉及一种纵向局部扩束三倍频激光终端光学系统。
【背景技术】
[0002]惯性约束聚变(Inertial Confinement Fus1n, ICF)是实现可控热核聚变的有效途径之一，世界各大国均在积极开展相关研宄。目前已建成和正在建造的有多台大型激光装置用于ICF研宄，例如美国NIF装置，法国LMJ装置，中国神光系列装置等。由于钕玻璃激光具有输出大能量且易于控制的特点，所以大部分装置都基于钕玻璃激光进行设计。为了抑制打革El过程中的激光等离子体不稳定(Laser Plasam Instablity, LPI)问题，需要将钕玻璃近红外激光进行频率转换，变成波长更短的三倍频紫外激光，但是近期各装置的运行均暴露出一个严重的工程问题，三倍频激光终端光学系统(主要完成频率转换和光束聚焦功能)的紫外段光学元件损伤严重，增加了装置的运行成本，降低了装置的运行效率。实际上，装置基频段光学元件的运行情况则要好得多，可见存在基频段与三倍频段光学元件负载不匹配的问题，为了解决这个问题，最简单也是最有效的办法是对三倍频激光终端光学系统进行扩束，降低三倍频激光平均通量，但是扩束往往会带来成本和系统复杂性的显著增加，实施难度很大，本专利的提出正是为了解决这个问题。
【发明内容】
[0003]针对上述技术问题，本发明设计开发了一种纵向局部扩束三倍频激光终端光学系统，目的在于提供一种既能够实现局部扩束，降低三倍频激光平均通量，缓解严重的紫外损伤问题，又能够节省实施成本和降低系统复杂性的高能量三倍频激光终端光学系统。
[0004]本发明提供的技术方案为:
[0005]一种纵向局部扩束三倍频激光终端光学系统，包括:
[0006]沿入射激光传输方向依次排布的二倍频晶体、第一柱面聚焦透镜、三倍频晶体和第二柱面聚焦透镜，
[0007]其中，所述三倍频晶体和第二柱面聚焦透镜均倾斜设置，且所述三倍频晶体沿其竖直旋转轴倾斜，所述第二柱面聚焦透镜沿其水平旋转轴倾斜，所述三倍频晶体的竖直旋转轴和第二柱面聚焦透镜的水平旋转轴相互正交。将三倍频晶体和第二柱面聚焦透镜大角度倾斜使用，能够显著增加透射光束在光学元件表面和体内的光束面积，实现三倍频激光终端光学系统负载瓶颈段的等效局部扩束，降低三倍频激光平均通量，从而改善三倍频光学元件的损伤情况，增大三倍频激光终端光学系统的输出能力；相比传统的横向系统扩束设计，本发明只针对三倍频激光终端光学系统必要的光学元件倾斜，实现局部扩束，能够降低实施成本和系统复杂性。
[0008]优选的是，所述的纵向局部扩束三倍频激光终端光学系统中，所述三倍频晶体的倾斜方向为三倍频晶体的ο轴方向，所述第二柱面聚焦透镜的倾斜方向平行于三倍频晶体的e轴方向。这样对于三倍频段的第二柱面聚焦透镜及其后面的光学元件来说，基频和三倍频激光是P偏振，二倍频激光是s偏振，它们即使不镀膜，基频和三倍频激光也能高效透射，二倍频激光有一定的反射而进行频率分离，从而有效避免了真空环境下光学元件膜层退化的问题。而且光学元件大角度倾斜透射，使光学元件表面剩余反射激光不会聚产生损伤其它光学元件的鬼光，就直接被侧壁吸收，从而实现了 “无鬼光”的终端光学系统。
[0009]优选的是，所述的纵向局部扩束三倍频激光终端光学系统中，所述第一柱面聚焦透镜的聚焦方向与所述三倍频晶体的ο轴方向平行。将第一柱面聚焦透镜设置在三倍频晶体前，利用了三倍频晶体对ο轴方向光束发散角不敏感的特点，不影响三倍频转换效率，同时能够减少三倍频段光学元件的数量和厚度，有利于缓解激光损伤问题。
[0010]优选的是，所述的纵向局部扩束三倍频激光终端光学系统中，所述第二柱面聚焦透镜后还设置有屏蔽片，所述屏蔽片的倾斜方向平行于所述第二柱面聚焦透镜的倾斜方向。聚焦激光经屏蔽片射出，屏蔽片阻挡出射激光打靶产生的碎片，对整个系统起到保护作用。
[0011]优选的是，所述的纵向局部扩束三倍频激光终端光学系统中，所述二倍频晶体前还设置有真空窗口，入射激光经所述真空窗口进入所述二倍频晶体中。真空窗口密封激光打靶需要的高真空环境。
[0012]优选的是，所述的纵向局部扩束三倍频激光终端光学系统中，所述入射激光为钕玻璃近红外激光。
[0013]优选的是，所述的纵向局部扩束三倍频激光终端光学系统中，所述三倍频晶体的切割角度根据倾斜角度重新切割。三倍频晶体重新切割方向应确保相位匹配和高效频率转换。
[0014]优选的是，所述的纵向局部扩束三倍频激光终端光学系统中，所述第一柱面聚焦透镜和第二柱面聚焦透镜的聚焦方向正交设置。相比于传统设计聚焦采用旋转对称的球面或者非球面透镜，将一束平行激光聚焦到一点。本发明聚焦采用两块柱面聚焦透镜，柱面聚焦透镜的表面是柱面，而非球面，每块都能够将一束平行激光聚焦成一线，两块正交放置才能聚焦成一点。使用两个正交方向设置的柱面透镜实现组合聚焦，将二维聚焦问题简化为一维问题，这样第二柱面聚焦透镜沿聚焦方向进行大角度倾斜透射，对聚焦性能影响较小，且光学元件易于加工。
[0015]本发明所述的纵向局部扩束三倍频激光终端光学系统可以实现频率转换、频率分离、光束聚焦、焦斑控制、测量取样、真空密封、碎片防护等七大功能。本发明利用光学元件大角度倾斜使用，能够显著增加透射光束在光学元件表面和体内光束面积的特点，实现三倍频激光终端光学系统负载瓶颈段的等效局部扩束，降低三倍频激光平均通量，从而改善三倍频光学元件损伤情况，增大三倍频激光终端光学系统输出能力。它相比传统的横向系统扩束设计，只对三倍频激光终端光学系统必要的光学元件倾斜实现局部扩束，能够降低实施成本和系统复杂性，另外，不改变横向尺寸也有利于节省安装空间。
【附图说明】
[0016]图1是光学元件倾斜透射增加光束面积的计算结果图；
[0017]图2是本发明所述的纵向局部扩束三倍频激光终端光学系统的正视图；
[0018]图3是本发明所述的纵向局部扩束三倍频激光终端光学系统的俯视图；
[0019]图4是传统横向系统扩束三倍频激光终端光学系统示意图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
[0021]如图1所示，随着光学元件倾斜角度增加，表面光束面积、体内光束面积、体内路径长度都增加，同时体内路径长度与体内光束面积之比减小。对于相同的输入激光能量来说，这意味着光学元件表面激光通量降低，体内激光强度降低，激光介质厚度增加，体内激光强度乘以激光介质厚度降低，使光学元件表面负载通量和体内非线性效应都得到缓解。以光学元件布儒斯特角放置为例，折射率1.5，倾斜角度56.3°，表面激光通量降低1.8倍，体内激光强度降低1.5倍，激光介质厚度增加1.2倍，体内激光强度乘以激光介质厚度降低
0.8 倍。
[0022]如图2?3所示，本发明提供一种纵向局部扩束三倍频激光终端光学系统，包括:沿入射激光传输方向依次排布的真空窗口、二倍频晶体、第一柱面聚焦透镜、三倍频晶体、第二柱面聚焦透镜和屏蔽片，其中，所述三倍频晶体、第二柱面聚焦透镜和屏蔽片均倾斜设置，且所述三倍频晶体沿其竖直旋转轴转动，从而倾斜一定角度，所述第二柱面聚焦透镜和屏蔽片沿其水平旋转轴转动，从而倾斜一定角度，所述三倍频晶体的竖直旋转轴与第二柱面聚焦透镜和屏蔽片的水平旋转轴相互正交。
[0023]钕玻璃