一种超高峰值功率激光聚焦焦斑预测系统及其仿真方法与流程

一种超高峰值功率激光聚焦焦斑预测系统及其仿真方法
[技术领域]
本发明属于超高峰值功率激光焦斑诊断领域，涉及一种超高峰值功率激光聚焦焦斑预测系统及其仿真方法。
[

背景技术：
]
高能量密度物理的研究对惯性约束聚变、材料物理、天体物理、加速器物理、国防等具有极其重要的意义。近年来，随着高功率激光等脉冲功率技术的发展，在实验室产生高能量密度状态成为可能。决定远场聚焦光斑分布的因素可总分为两类，一是终端聚焦光学系统光路排布结构；二是进入终端聚焦光学系统前近场激光束的质量。在终端聚焦光学系统光路排布结构确定后，焦斑特性取决于聚焦前光束质量，即由光束在传播过程中相位和振幅空间变化表征。在超高峰值功率激光测量系统中，需要进行焦点处光束质量的诊断。强激光束在介质中的传播过程中，强光与介质的相互作用表现出来的光束自聚焦等非线性效应会引起近场光束的振幅和位相的变化，将影响聚焦光斑的分布。即传输过程中除了光路组件制造缺陷造成的静态误差外，还存在强光导致的动态误差。由于无法直接探测超高峰值功率激光在靶点处的能量、相位、脉宽等分布。一般采用间接测量的方式来预测最终靶点处焦斑。即首先采用弱光标定方法，使用低峰值功率激光(一般为直接用再生放大器出来的光)先进行波前调整，这时依据的波前测量模块为离轴抛物系统波前测量模块。校正完毕后，记录下诊断包的波前测量模块当前波前为参考波前。波前测量得到的为压缩器内部变形镜处的波前结果，由于变形镜位于放大系统后，变形镜位置处到离轴抛物系统光路中只存在静态误差。所以，在使用高峰值功率激光时，可以将诊断包位置的波前测量模块记录的参考波前作为测量依据，进行测量与波前校正。目标是将高峰值功率激光波前调整到参考波前的分布，这样通过多次迭代，就可以校正高功率情况下系统所有的静态误差来表征聚焦系统的系统参数，从而预测高峰值功率强光下的靶点能量。然而，这种标定方法没有把离轴抛物系统坐标转换引入的静态误差考虑进去，没有给出焦斑能量分布的计算方法。因此，需要设计新的诊断测量装置和方法来补偿这一因素，并给出强光传输下焦斑分布的预测。
[

技术实现要素：
]
本发明克服了上述技术的不足，提供了一种超高峰值功率激光聚焦焦斑预测系统及其仿真方法。为实现上述目的，本发明采用了下列技术方案：一种超高峰值功率激光聚焦焦斑预测系统，包括有用于生成超高峰值功率激光以及将超高峰值功率激光分成两束的聚焦光学系统光路排布结构，聚焦光学系统光路排布结构其中一个超高峰值功率激光输出端连接有用于脉宽测量、能量测量以及波前测量的压缩
光栅后诊断系统，聚焦光学系统光路排布结构另一个超高峰值功率激光输出端连接有用于靶点位置波前测量的离轴抛物面焦点后方测量系统，离轴抛物面焦点后方测量系统包括有用于波前测量的第一波前测量模块，离轴抛物面焦点后方测量系统的波前测量位置上设有用于调节第一波前测量模块的位移系统。如上所述的一种超高峰值功率激光聚焦焦斑预测系统，其特征在于：聚焦光学系统光路排布结构包括有用于产生超短脉冲的激光器，激光器输出端顺次连接有单模保偏光纤、用于生成超高峰值功率激光的展宽放大系统以及压缩器真空腔，压缩器真空腔由变形镜、压缩器光栅组成，展宽放大系统输出端与变形镜输入端连接，压缩器光栅作为输出端输出两束超高峰值功率激光。如上所述的一种超高峰值功率激光聚焦焦斑预测系统，其特征在于：压缩光栅后诊断系统包括有与聚焦光学系统光路排布结构其中一个输出端连接的第一分束镜，第一分束镜一输出端连接有能量测量模块，第一分束镜另一输出端连接有第二分束镜，第二分束镜一输出端连接有脉宽测量模块，第二分束镜另一输出端连接有第二波前测量模块。如上所述的一种超高峰值功率激光聚焦焦斑预测系统，其特征在于：离轴抛物面焦点后方测量系统包括有与聚焦光学系统光路排布结构另一个输出端连接的抛物镜，抛物镜输出端顺次连接有准直物镜、第一消色差透镜、第一反射镜、第二消色差透镜、第二反射镜，第一波前测量模块与第二反射镜的输出端连接；准直物镜引入的色差可以被后续的消色差透镜补偿。如上所述的一种超高峰值功率激光聚焦焦斑预测系统，其特征在于：聚焦光学系统光路排布结构、压缩光栅后诊断系统、离轴抛物面焦点后方测量系统均设置于大理石平台上，位移系统为电动五维调整架；通过位移系统，可以调节第一波前测量模块接收面的位置，实现分别测量变形镜位置处的波前和经过抛物面后的波前分布。超高峰值功率激光聚焦焦斑预测仿真方法，包括以下步骤：步骤a、采用弱光进行测量校正，使用低能量激光进行波前调整，此时第一波前测量模块测量变形镜处波前，将其校正。校正后记录压缩光栅后诊断系统中，第二波前测量模块测量的当前变形镜位置处的波前为参考波前w
osp_r
；通过位移系统改变离轴抛物面焦点后方测量系统中靶点后方位置处第一波前测量模块的位置，测量抛物镜的抛物面后波前，得到校正后抛物面后波前w
target_l
；步骤b、采用强激光测量，测量高峰值功率引起的动态误差，通过第二波前测量模块测量高能强激光下，以变形镜为物面的波前w
osp_h
和能量i
osp_h
，可以得到变形镜位置处高能激光和弱光标定时的波前差值，下面将用δw表示w
osp_h-w
osp_r
，由于变形镜位于展宽放大系统后，变形镜位置处到离轴抛物面焦点后方测量系统光路中只存在静态误差；步骤c、光束入射至离轴抛物面焦点后方测量系统中抛物镜的抛物面后，传播方向发生改变，需将光束上各点进行坐标变换，映射到垂直于反射主光线的平面，采用离轴抛物面的坐标转换方法：离轴抛物面的焦距为f，离轴抛物面简称为oap，其表达式为：光束在焦斑附近距离l处的二维分布表达式为：
式(2)中，(ξηζ)为转换后新坐标系内光束各点坐标，坐标系k以抛物面焦点为原点；将其转换到焦斑附近后，新坐标系k’以反射后中心光束为z轴，利用坐标转换可以推导出新坐标系下，各点坐标为式(3)中x,y,z表示入射光束各点到新坐标系原点的坐标差值；步骤d、根据上述坐标转换方法，将强弱光测量时，压缩光栅后诊断系统波前差转换到抛物面后位置，可以得到强光下抛物面后波前分布为t(w
osp_h-w
osp_l
)，加入能量分量，并计算远场分布，可以将远场相对分布表示为：i
target_h
＝re{f{t(i
osp_h
)exp[w
target_l
+t(w
osp_h-w
osp_r
)]}}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)其中二维傅里叶变换表达式如下所示：步骤e、采用二维傅里叶方法计算抛物面焦点相对能量分布，并根据系统参数进行空间尺度的计算，根据脉冲平均功率进行峰值功率密度绝对量的计算；物象空间尺度的对应关系为：ps＝dia/m'*m
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)式(6)中m'为输入光束采样数，m为焦面上扩充后采样数，ps为输入光束对应空间尺寸，式(7)中rl为反射光束远场传播距离，即焦面距离新坐标系原点距离；脉冲平均功率进行绝对功率密度的计算公式为：式(8)t为输入光束脉冲持续时间，e为单发脉冲能量，η为峰值功率和脉冲平均功率的转换系数，与时域脉冲形状有关；计算功率密度，用最强位置数值占全部远场光斑数值积分的比值，得到中心位置功率，进而除以实际光斑面积，从而得到峰值处的功率密度(光强)，单位为w/cm^2；焦斑能量分布的绝对量根据式(8)可得步骤f、根据计算得到的sample空间尺度和采样数计算焦斑的空间大小，给出绝对功率密度分布，绘制焦斑图像。本发明的有益效果是：本发明将离轴抛物系统引入的像差加入标定方法中，提高了焦斑分布预测的准确
性。
[附图说明]
图1为本发明的超高峰值功率激光聚焦焦斑预测系统结构图。图2为入射光束波面和能量分布示意图，通过zernike多项式生成。图3为离轴抛物面示意图。其中，eg为抛物面中心轴，以io为中心光束，ah为入射直径的圆形光束，平行于eg入射到抛物面上bd区域。中心光束打到抛物面上o点。图4为坐标系转换图。其中，坐标系k以抛物面焦点为原点，以图3中fg为z轴正方向；新坐标系k’由坐标系k绕y轴顺时针旋转角度得到，表示反射后光束面的偏转。图5为坐标转换后光束分布示意图。其中，转换后平面为以反射光束角平分线为法线，过其和抛物面的平面。图6为焦斑能量分布仿真结果示意图。其中，给出了焦斑的峰值功率和焦面上各点的能量分布。
[具体实施方式]
下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。如图1所示，一种超高峰值功率激光聚焦焦斑预测系统，其特征在于：包括有用于生成超高峰值功率激光以及将超高峰值功率激光分成两束的聚焦光学系统光路排布结构，聚焦光学系统光路排布结构其中一个超高峰值功率激光输出端连接有用于脉宽测量、能量测量以及波前测量的压缩光栅后诊断系统7，聚焦光学系统光路排布结构另一个超高峰值功率激光输出端连接有用于靶点位置波前测量的离轴抛物面焦点后方测量系统13，离轴抛物面焦点后方测量系统13包括有用于波前测量的第一波前测量模块20，离轴抛物面焦点后方测量系统13的波前测量位置上设有用于调节第一波前测量模块20的位移系统21。其中位移系统21为电动五维调整架。如图1所示，聚焦光学系统光路排布结构包括有用于产生超短脉冲的激光器1，激光器1输出端顺次连接有单模保偏光纤2、用于生成超高峰值功率激光的展宽放大系统3以及压缩器真空腔6，压缩器真空腔6由变形镜4、压缩器光栅5组成，展宽放大系统3输出端与变形镜4输入端连接，压缩器光栅5作为输出端输出两束超高峰值功率激光。如图1所示，压缩光栅后诊断系统7包括有与聚焦光学系统光路排布结构其中一个输出端连接的第一分束镜8，第一分束镜8一输出端连接有第二波前测量模块11，第一分束镜8另一输出端连接有第二分束镜9，第二分束镜9一输出端连接有脉宽测量模块10，第二分束镜9另一输出端连接有能量测量模块12。如图1所示，离轴抛物面焦点后方测量系统13包括有与聚焦光学系统光路排布结构另一个输出端连接的抛物镜14，抛物镜14输出端顺次连接有准直物镜15、第一消色差透镜16、第一反射镜17、第二消色差透镜18、第二反射镜19，第一波前测量模块20与第二反射镜19的输出端连接，其中准直物镜引入的色差可以被后续的消色差透镜补偿。如图1所示，聚焦光学系统光路排布结构、压缩光栅后诊断系统7、离轴抛物面焦点
后方测量系统13均设置于大理石平台22上；使用时，由聚焦光学系统光路排布结构中的激光器1产生的超短脉冲经过单模保偏光纤2射出，经过展宽放大系统3，在压缩器真空腔6后分成两束射出；一路入射至压缩光栅后诊断系统7中，经过第一分束镜8、第二分束镜9后依次进入脉宽测量模块10、第二波前测量模块11、能量测量模块12，从而得到弱光下的测量光束的能量分布和相位分布信息；另一路光束进入离轴抛物面焦点后方测量系统13，依次通过抛物镜14，经过准直镜15为平行光束，并顺次经过第一消色差透镜16、第一反射镜17、第二消色差透镜18所构成的4f系统后，通过第二反射镜19后进入第一波前测量模块20。其中波前测量模块20安装在位移系统21上，微调波前测量模块20在离轴抛物面焦点后方测量系统13中位置，从而测量光路排布结构中不同位置处的波前数据。应用上述超高峰值功率激光聚焦焦斑预测系统的超高峰值功率激光聚焦焦斑预测仿真方法，包括以下步骤：步骤a、在最初测量阶段，采用弱光进行测量校正，此时，压缩光栅后诊断系统4和离轴抛物面焦点后方测量系统13的两个波前测量模块都通过像传递，与变形镜互为物象共轭关系；这样使用低能量激光先进行波前调整，此时第一波前测量模块20测量变形镜4处波前，并进行校正。校正完毕后，记录下压缩光栅后诊断系统7中第二波前测量模块11当前波前为参考波前w
osp_r
。通过调整位移系统21，改变靶点后方位置处第一波前测量模块20位置，移动成像位置，测量抛物面后波前。此时，得到校正完毕后抛物面后波前w
target_l
。考虑到变形镜位于压缩器系统内部，变形镜位置到抛物面位置的光路组件中只存在静态误差，所以从压缩器的变形镜位置到离轴抛物面焦点后方测量系13引入的光束畸变已经包含在w
target_l
中，即完成了抛物面引入的误差量的标定。在仿真预测过程中，采用m
×
m的方阵表示波前w
osp_r
和w
target_l
，一般采用zernike正交多项式生成圆形区域。步骤b、考虑强激光的引入的高峰值功率引入的动态误差，需要利用靶点位置处的成像结果进行波前校正。为了预测焦斑能量分布，首先通过压缩光栅后诊断系统7的第二波前测量模块11测量高能强激光下以变形镜4为物面的波前w
osp_h
和能量分布i
osp_h
。同样的，采用m
×
m的方阵表示波前w
osp_h
和能量分布i
osp_h
。此时可以得到变形镜位置处高能激光和弱光标定时的波前差值。下面将用δw表示w
osp_h-w
osp_r
。步骤c、光束入射至离轴抛物面焦点后方测量系统13中抛物镜14的抛物面后，传播方向发生改变，为此，需要将光束上各点进行坐标变换，映射到垂直于反射主光线的平面。根据离轴抛物面参数，以及入射光束的离轴量，可以计算每条光线反射后，在新坐标轴的方向余弦，从而得到反射后光束能量、波前的分布。为了将强激光波前、能量转换到焦斑附近位置，可以采用离轴抛物面的坐标转换方法。转换步骤表示为t。抛物面的焦距为f，离轴抛物面简称为oap，其表达式为：将强激光波前、能量分布转换到焦斑附近位置，需要通过三维坐标转换公式：x
(ξηζ)
＝r
x
(θ
x
)ry(θy)(x
(xyz)-x0)≡a(x
(xyz)-x0)
ꢀꢀꢀ
(2)式中x0即为入射光束中心向量，a＝r
x
(θ
x
)ry(θy)，表示新坐标系转换的旋转矩阵。
按照绕y轴旋转(θy)，再绕x轴旋转(θ
x
)的顺序，将原坐标系中的坐标k(xyz)转换至新坐标系k’(ξηζ)中，如图4所示。规定在右手坐标系中，物体旋转的正方向是右手螺旋方向，即从该轴正半轴向原点看是逆时针方向。旋转矩阵表达式为：光束从聚焦光学系统中入射至离轴抛物系统，坐标系k以抛物面焦点为原点。将其转换到焦斑附近后，新坐标系k’以反射后中心光束为z轴。利用坐标转换可以推导出新坐标系下，各点坐标为
[0026]
式中x,y,z表示(x
(xyz)-x0)。得到反射光束坐标后，其在焦斑附近距离l处的二维分布表达式为：通过以上转换公式，可以得到光束通过抛物面后，能量、波前在一个垂直于聚焦光束传播方向且距焦点为l的平面上的分布形式，其中包含了经过抛物面对光束传输的畸变。采用坐标转换公式，将δw和i
osp_h
转换到焦斑附近，考虑到坐标系上点对应关系不是线性的，因此转换后将采样数提高了一倍。即方阵的阶数m'＝2m。步骤d、根据上述坐标转换方法，将强弱光测量时，压缩光栅后诊断系统7波前差转换到抛物面后位置，可以得到强光下抛物面后波前分布为t(w
osp_h-w
osp_l
)，加入能量分量，并计算远场分布，可以将远场相对分布表示为：i
target_h
＝re{f{t(i
osp_h
)exp[w
target_l
+t(w
osp_h-w
osp_r
)]}}
ꢀꢀꢀ
(6)其中二维傅里叶变换表达式如下所示：快速傅里叶变换得到的是焦斑远场的相对分布，公式中略去了夫琅禾费远场衍射的相应系数。在焦斑仿真预测系统中，还需要进行归一化和赋值处理，以得到焦斑处各点的功率密度。步骤e、根据采样频率，以及中心波长、焦距，可以计算得到远场分布矩阵一个间隔对应的实际物理尺寸。由于傅里叶变换的性质，输入采样数和输出采样数相同。所以在仿真过程中，考虑到输出平面的焦斑处的高分辨率要求，采用借助零填充方法来扩展输入孔径。将输入采样数由m'扩充至m，则输入光束的采样大小变为ps＝dia/m'*m
ꢀꢀ
(8)式中dia为输入光束口径，m为输入光束的矩阵大小，即行列的采样数目，m表示在输入光束外围填充零后，扩展方阵的行列数。根据傅里叶分析方法，可以得到焦面处空间尺度的表达式，即焦面处一个像素点
所对应的实际大小如下：式中ps为输入光束对应空间尺寸，rl为反射光束远场传播距离。根据焦面处空间尺度和脉冲平均功率，可以进行焦斑功率密度的计算。预测系统中，通过光栅后诊断系统中的脉宽、能量测量模块，可以测得输入光束的脉宽和单发脉冲能量参数。对于相对较长的脉冲，其峰值功率可以利用光电二极管直接测量。对于小于几十皮秒的脉冲，这种方法不再适用。此时脉冲峰值功率通常通过脉冲脉宽τp可以利用光学自相关仪测量)和脉冲能量ep推算出来。这种推算有一个与脉冲的时域形状相关的系数η。对于高斯型脉冲，其常数因子η约为0.94。在仿真预测程序中，设定输入光束脉冲为t，单发脉冲能量为e。计算得到脉冲的峰值功率为：计算功率密度，用最强位置数值占全部远场光斑数值积分的比值，得到中心位置功率，进而除以计算得到实际尺寸的面积，从而得到峰值处的功率密度光强)，单位为w/cm^2，通过归一化后的焦斑能量分布和功率密度，可以得出焦斑能量分布的绝对量。步骤f、根据计算得到的sample空间尺度和采样数，可以得到焦斑的空间大小，并根据空间尺度和焦斑绝对功率密度分布绘制图像。具体地，下面采用仿真预测方法模拟焦斑测量系统过程，测量过程包括以下步骤：s1、弱光校正阶段，采用弱光进行测量校正，依据的第一波前测量模块20为抛物面后位置，调整其测量波前到目标值，此时记录下压缩光栅后诊断系统7的第二波前测量模块11当前波前为参考波前w
osp_r
；通过调整位移系统21，改变靶点后方位置处第一波前测量模块20位置，移动成像位置，测量抛物面后波前。此时，得到校正完毕后抛物面后波前w
target_l
。s2、强光测量阶段，通过压缩光栅后诊断系统7的第二波前测量模块11测量高能强激光下以变形镜为物面的波前w
osp_h
和能量i
osp_h
。用δw表示w
osp_h-w
osp_r
。仿真过程中，采用二维矩阵代表上述测量过程得到的δw、w
target_l
和i
osp_h
，设置采样数为m*m的矩阵，代表一定口径的圆形光束。每个像素点所代表的实际大小为dia/m。每个像素点赋予光束的初始相位和能量，如图2所示，为了仿真不同畸变量对聚焦焦斑的影响，一般导入zernike系数生成的圆形面，这里设定波面最大畸变pv值为1个λ。设定m＝28，入射光λ为850nm。s3、坐标转换阶段，如图3所示，光束入射半径为r，光束中心到抛物面中心轴线的垂直距离ig为离轴量h，反射后的扇形光束的角平分线和主轴夹角为即∠pfe＝∠pfb。离轴抛物面焦点后方测量系统13以抛物镜14的抛物面焦点作为原点，以主轴为z
轴建立坐标系，为了简便，以离轴方向作为坐标系的x轴。即入射光束中心坐标为(h,0,sh
2-f)。设定h＝450mm,f＝600mm，根据抛物面坐标性质，可以得到l＝30mm，坐标系转换关系如图4所示。进行坐标变换后，考虑到坐标系上点对应关系不是线性的，因此转换后将采样数提高了一倍。即方阵的阶数m'＝2m＝29。如图5所示，δw和i
osp_h
进行坐标转换后，不同位置的光束分布发生了变化。虽然反射后的光斑仍然是个圆形，但是不同位置的坐标对应关系已经发生了变化。s4、远场分布计算。采用二维fft变换，可以得到入射光束在离轴抛物面焦点附近的波前，根据采样频率，以及中心波长、焦距，可以计算得到远场分布矩阵一个间隔对应的实际物理尺寸。仿真设定相应参数如下：输入采样数由m’扩充至m，设定dia＝450mm，此时m'＝29，m＝2
12
，远场距离rl＝700mm，输入光束脉冲为t＝15fs，单发脉冲能量为e＝300j。根据输入参数和上述公式，仿真预测方法中的相应参数计算结果如表1所示：表1焦面空间尺度ps7.2m单像素空间尺度sample0.0826μm脉冲的平均功率p1.88
×
10
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w峰值功率peakintensity6.05
×
10
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w/cm2s5、根据计算得到的sample空间尺度和采样数，可以得到焦斑的空间大小，并根据空间尺度和焦斑绝对功率密度分布绘制图像。根据得到的焦斑图样如图6所示。峰值功率为6.05
×
10
23
w/cm2。综上所述，激光聚焦焦斑预测系统可以实现高能激光能量分布的间接测量，并通过仿真方法模拟了系统操作的过程，得到了焦斑绝对功率密度的分布。以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。