激光束傳輸與變換第十講第四章光束整形與激光組束§4.1空間整形§4.2時間整形§4.3激光組束§4.1空間整形1.輻照光滑化基本原理2.空間整形方法1.輻照光滑化基本原理空間相干性:b—光源寬度

--空間相干性區(qū)域的孔徑角

--波長

1.輻照光滑化基本原理時間相干性:tc—相干時間

—譜線寬度

1.輻照光滑化基本原理多束光疊加—改善聚焦光斑均勻性激光的相干性----導(dǎo)致輻照的不均勻性結(jié)果----必須去相干處理,消除干涉散斑1.輻照光滑化基本原理設(shè)兩束光同時照射一接收屏,他們的光場分布為:式中,F1(r,t),F2(r,t)為時間的慢變化部分.在接收屏上的光場強(qiáng)度分布可寫成:1.輻照光滑化基本原理類似地,多光束疊加,在接收屏上的光場強(qiáng)度分布為:1.輻照光滑化基本原理從原理上分析,可采取的去相干方法有1)

i

j2)

i(r,t)-j(r,t)const.

ij=i

(r,t)-j(r,t)不是常數(shù),但不是隨機(jī)分布

ij=i

(r,t)-j(r,t)不隨時間變化,但隨機(jī)分布

ij=i(r,t)-j(r,t)隨時間變化,且隨機(jī)分布3)2.空間整形方法1)階梯誘導(dǎo)空間非相干技術(shù)(ISI—inducedspatialincoherence)2)無階梯誘導(dǎo)空間非相干技術(shù)(EFISI—echelon-freeinducedspatialincoherence)3)列陣透鏡法(LA—lensarray)4)隨機(jī)相位板法(RPP—randomphaseplate)5)譜色散光滑法(SSD—smoothingbyspectraldispersion)2.空間整形方法6)二元光學(xué)法7)全息相位板(KPP—kinoformphaseplate)8)雙折射晶體透鏡組法1)階梯誘導(dǎo)空間非相干技術(shù)ISI1)階梯誘導(dǎo)空間非相干技術(shù)ISI1983年由美國海軍實(shí)驗(yàn)室Lehmberg等人提出的,它采用階梯光柵誘導(dǎo)空間非相干,實(shí)現(xiàn)寬頻帶激光的靶面均勻輻照。利用階梯光柵將激光束分割為許多子波束,同時對每個子束引入時延ＴＮ-1-ＴＮ>ＴＣ來實(shí)現(xiàn)各子束的非相干.之后再將子束組合到靶上,在大于相干時間的時間量級上,眾多互不相干子束的遠(yuǎn)場衍射光斑,在靶上進(jìn)行非相干疊加,使靶上得到均勻輻照。1)階梯誘導(dǎo)空間非相干技術(shù)ISI靶面上光強(qiáng)分布形狀由階梯光柵各級的衍射光斑決定.該技術(shù)的最大不足是:(1)階梯光柵必須放在激光器的輸出端,這造成光柵大,階梯多,費(fèi)用貴,加工難,同時由于光柵衍射,使最終打靶光束能量利用率低等;(2)由于光柵階梯面不可能加工到太小,各子波束的近場光斑受光柵的階梯影響,從而使各階梯子束光斑不均勻。2)無階梯誘導(dǎo)空間非相干技術(shù)EFISI1987年,Lehmberg等人又提出了無階梯空間誘導(dǎo)非相干技術(shù),它可以用于大型準(zhǔn)分子激光以產(chǎn)生光滑、可控的靶面光束分布。其思想是基于投影成像技術(shù),將物孔處光強(qiáng)的光滑分布通過激光器傳輸放大,投影成像于靶上,即將所需要的光束時間平均空間分布Ｆ(ｘ,ｙ)通過激光系統(tǒng),利用寬帶部分相干光投影到靶面上。重建Ｆ(ｘ,ｙ)所需的信息,利用大量相互獨(dú)立的相干帶(其直徑小于系統(tǒng)線性畸變比例長度和增益非均勻性長度)在系統(tǒng)中傳輸。2)無階梯誘導(dǎo)空間非相干技術(shù)EFISI此技術(shù)是由ISI技術(shù)思想發(fā)展而來的,其關(guān)鍵是利用非相干光束將物孔處的均勻光強(qiáng)分布成像于靶上,其前提必須保證物孔處光強(qiáng)均勻,且光源相干性差。由于該方法中并未在高功率端加入控制元件,與通常的主控振蕩器功率放大器MOPA系統(tǒng)相差無幾,所以,工作穩(wěn)定,且使用壽命長。2)無階梯誘導(dǎo)空間非相干技術(shù)EFISI兩個突出優(yōu)點(diǎn):1)遠(yuǎn)場分布形狀靈活性大,取決于物面的光強(qiáng)分布,而物面處于低功率端,相對較易控制。而其它方法的遠(yuǎn)場光強(qiáng)分布形狀基本上是固定的,一般列陣透鏡,ISI,BRP方法是平頂分布,而RPP方法是高斯分布。2)容易和角多路傳輸放大技術(shù)結(jié)合在一起。該方法充分利用了激光源的寬帶特性,適用于氣體準(zhǔn)分子激光器,但如何得到均勻且相干性差的前級光源是一個問題。2)無階梯誘導(dǎo)空間非相干技術(shù)EFISI3)列陣透鏡法LA1985年,中國上海光機(jī)所鄧錫銘教授等提出了列陣透鏡實(shí)現(xiàn)靶面均勻輻照的方法,該技術(shù)結(jié)構(gòu)原理如圖3所示(其中Ａ為主聚焦透鏡,Ｂ為透鏡列陣,Ｃ為綜合焦斑,Ｅ為各單元焦點(diǎn)所在球面)。其實(shí)質(zhì)是利用多個微小透鏡分割入射光束,每個子束形成一個菲涅耳衍射斑,為消除衍射斑紋,使靶面略離焦,衍射斑紋相互疊加,靶面上得到焦后的準(zhǔn)近場光滑分布。3)列陣透鏡法LA3)列陣透鏡法LA在幾何光學(xué)上,光束分割越細(xì),越有利于消除光斑不均勻,實(shí)現(xiàn)均勻輻照。但從物理光學(xué)的觀點(diǎn),分割數(shù)目和透鏡焦距對衍射和多光束干涉疊加效果有影響,因此,設(shè)計(jì)列陣透鏡時,必須綜合考慮二者的作用。3)列陣透鏡法LA此方法的優(yōu)點(diǎn)1)可獲得均勻準(zhǔn)近場光斑,在主焦斑外光強(qiáng)度按指數(shù)迅速衰減為0,2)不要求激光具有的寬頻帶(如固體玻璃激光器)。3)列陣透鏡法LA該方法最大的缺點(diǎn)1)每個子束是相干的,各子束會在靶面上形成多光束干涉花紋,最終光斑是子束菲涅耳衍射斑和多光束干涉花紋二者的卷積(其中衍射斑大小為fλ/D,干涉散斑間距:fλ/ＮD。)。2)通過靶面略離焦,可以消除衍射斑紋,但干涉條紋卻無法消除。4)隨機(jī)相位板法RPP1984年,日本大阪工程研究所Yamananaka提出利用相位板把相干波化為隨機(jī)相位波,以改善激光束輻照均勻性。4)隨機(jī)相位板法RPP無規(guī)位相板是由許多按列陣形式排列的小位相單元組成,每個小位相單元隨機(jī)地被選擇對入射的激光光束引入0或π的相位延遲,無規(guī)位相板上的列陣位相單元把入射光束波面分割為許多大小相同的子光束,經(jīng)透鏡聚焦在同一靶面上(焦平面上),靶面上光強(qiáng)分布由各個子波束的衍射圖樣隨機(jī)疊加確定,從而達(dá)到平滑靶面的目的。4)隨機(jī)相位板法RPP位相板位相單元的形狀確定了透鏡焦面焦斑的形狀,位相板位相單元的大小確定了焦面焦斑的大小,通過改變位相單元的形狀或大小,可以達(dá)到控制透鏡焦面焦斑形狀和大小的目的。4)隨機(jī)相位板法RPP優(yōu)點(diǎn):具有對靶面焦斑形狀和大小易于控制、制作簡單及容易使用等。缺點(diǎn):由于位相板列陣單元分割出的各子光束同樣是相干的,透鏡焦平面上光強(qiáng)分布實(shí)際是無規(guī)位相板上的單個小位相單元衍射光強(qiáng)分布受到各個小位相單元衍射光束之間相互干涉所調(diào)制的結(jié)果,靶面上不可避免地存在干射散斑。4)隨機(jī)相位板法RPP目前,此技術(shù)在不斷發(fā)展,形成了一維、二維色散的寬帶無規(guī)相位板(BRP)技術(shù),利用某些激光的寬帶特性,可加入色散元件來一定程度上平滑干涉散斑。5)譜色散光滑法SSDSSD主要包括寬頻帶光源和色散元件,位于光路的前端。SSD方法中利用電光晶體對單頻激光電場的相位進(jìn)行調(diào)制,可以得到寬頻帶光源。之后,經(jīng)過一個線性色散元件,例如光柵,在ｘ或是ｙ方向上進(jìn)行譜色散,這樣,在譜色散方向上瞬時頻率周期變化。5)譜色散光滑法SDD通常SSD要與RPP聯(lián)合使用,經(jīng)過調(diào)制和色散處理后的激光入射到RPP上時,不同基元的瞬時頻率是不一樣的,每個頻率產(chǎn)生一套干涉圖樣,不同頻率之間進(jìn)行非相干疊加,從而實(shí)現(xiàn)靶面的均勻輻照。由于SSD是一維色散的,僅在ｘ或是ｙ方向上進(jìn)行時間光滑化,因此,仍存在干涉花紋。6)二元光學(xué)法二元光學(xué)是指基于光波的衍射理論,利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),并用超大規(guī)模集成(VLSI)電路制作工藝,在片基上(或傳統(tǒng)光學(xué)器件表面)刻蝕產(chǎn)生兩個或多個臺階深度的浮雕結(jié)構(gòu),形成純相位、同軸再現(xiàn)、具有極高衍射效率的一類衍射光學(xué)元件。二元光學(xué)元件具有重量輕、易復(fù)制、造價低等特點(diǎn),并能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)光學(xué)難以完成的微小、陣列、集成及任意波面變換等新功能.7)全息相位板KPPKPP是一種利用二元光學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)光束光滑化的方法,可以認(rèn)為相息圖(kinoform)就是早期的二元光學(xué)元件。它具有衍射效率高、光斑輪廓可調(diào)的優(yōu)點(diǎn),是目前比較有希望的空間光滑化方法。小型的KPP已在許多地方得到應(yīng)用,但小型KPP的制作方法不適用于ICF,因?yàn)镮CF中的KPP要求有高的激光損傷閾值和大的光學(xué)口徑.8)雙折射晶體透鏡組法勞倫茲·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)在其束元(beamlet)前端使用了一種新型的空間光束整形系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用兩對石英雙折射透鏡巧妙而方便地實(shí)現(xiàn)了激光束的空間整形。8)雙折射晶體透鏡組法8)雙折射晶體透鏡組法LLNL的空間整形系統(tǒng)由兩對雙折射晶體透鏡Ｌ1,Ｌ2,Ｌ3,Ｌ4和一個檢偏器Ｐ組成,晶體的主軸方向垂直于系統(tǒng)的光軸方向,透鏡Ｌ1,Ｌ4是兩個完全相同的平凸透鏡,對于偏振光透鏡中心相當(dāng)于λ/2波片,距透鏡中心ｒ0的邊緣處相當(dāng)于λ/4波片,兩鏡對稱排列,Ｌ2,Ｌ3是兩個完全相同的平凹透鏡,透鏡中心相當(dāng)于λ/4波片,距透鏡中心ｒ0的邊緣處相當(dāng)于λ/2波片,兩鏡對稱放置,讓透鏡Ｌ1,Ｌ4的主軸平行并保持不動,透鏡Ｌ2,Ｌ3的主軸平行并作為一個整體可以繞系統(tǒng)的光軸旋轉(zhuǎn)至任意角度。8)雙折射晶體透鏡組法從前級激光放大器或振蕩器中輸出的線偏振光入射到該系統(tǒng),經(jīng)該系統(tǒng)后,光束的偏振態(tài)發(fā)生了變化,調(diào)節(jié)透鏡對Ｌ2,Ｌ3的主軸與透鏡對Ｌ1,Ｌ4主軸的夾角,入射到檢偏器上的光束在不同的位置有不同的偏振態(tài),經(jīng)檢偏器后的出射光可以被整形為中心部分平頂?shù)墓鈴?qiáng)較均勻的線偏振光?！?.2時間整形1.時間整形方法2.典型激光裝置的脈沖整形系統(tǒng)1.時間整形方法1)時空變換法2)脈沖堆積法3)等離子體開關(guān)法4)慢調(diào)Q腔倒空法5)脈沖共軸傳輸法6)削波法7)波導(dǎo)調(diào)制器與集成光學(xué)法8)傅里葉光譜法9)受激布里淵散射法1)時空變換法原理:

激光脈沖入射至第一塊電光偏轉(zhuǎn)器后，完成時空轉(zhuǎn)換，經(jīng)過一個4f系統(tǒng),在4f系統(tǒng)譜面上放置一個能對光強(qiáng)進(jìn)行空間調(diào)制的透射屏,再由第二塊電光偏轉(zhuǎn)器復(fù)原，這樣在第二塊偏轉(zhuǎn)器后就得到了經(jīng)過整形的激光脈沖，改變屏上的透射率的空間分布，就可改變輸出脈沖的時間波形。1)時空變換法時空變換脈沖整形系統(tǒng)示意圖

2)脈沖堆積法脈沖堆積整形示意圖3)等離子體開關(guān)法氣體電離產(chǎn)生等離子體——多光子吸收過程和級聯(lián)或碰撞的感應(yīng)電離過程。氣體擊穿主要受最初出現(xiàn)在焦點(diǎn)處的自由電子的影響。一旦氣體被擊穿，在焦點(diǎn)區(qū)域等離子體向四周擴(kuò)散，同時伴隨著強(qiáng)烈的吸收現(xiàn)象，氣體被快速加熱，導(dǎo)致等離子體發(fā)生快速球形膨脹。在入射光方向上，激光的輻射能極快地注入焦點(diǎn)區(qū)，被等離子體吸收。等離子體的快速增長導(dǎo)致了入射光束的快速截?cái)?，從而產(chǎn)生了對激光脈沖的整形。

4)慢調(diào)Q腔倒空法對激光器光腔內(nèi)損耗進(jìn)行時間控制，使光腔內(nèi)的損耗是一個可控的時間函數(shù)，腔倒空輸出的脈沖波形、脈寬就受到了控制。常規(guī)的脈沖透射式調(diào)Q(腔倒空)技術(shù)中，將格蘭棱鏡與由電光晶體組成的普克爾盒組成一個輸出光脈沖的組合器件。腔內(nèi)光子數(shù)的變化率是加在普克爾盒上電壓的函數(shù)，可通過控制普克爾盒上的電壓來控制光腔損耗并進(jìn)而控制腔內(nèi)光子數(shù)密度的變化規(guī)律，并且完全可用設(shè)定規(guī)律控制，使之成為可控的函數(shù).

4)慢調(diào)Q腔倒空法慢調(diào)Q腔倒空脈沖整形原理圖

5)脈沖共軸傳輸法將產(chǎn)生的兩個分離脈沖共軸傳輸，分別整形，獨(dú)立調(diào)節(jié)，避免相互干擾。脈沖整形精度和動態(tài)范圍受各種因素影響。用這種方法可以產(chǎn)生包括尖柵欄形脈沖在內(nèi)的各種時間整形脈沖。6)削波法7)波導(dǎo)調(diào)制器與集成光學(xué)法波導(dǎo)調(diào)制器的工作原理:通過外加電場在晶體中產(chǎn)生電光效應(yīng)，使導(dǎo)波光的傳播特性發(fā)生變化而達(dá)到調(diào)制的目的。相位調(diào)制器:單一頻率為ω的入射光經(jīng)相位調(diào)制器上所加交變電場調(diào)制后，出射光除主頻ω外，還出現(xiàn)了多個邊帶ω±nωm,ｎ=1,2,3,…，這正是相位調(diào)制器在脈沖整形中用于頻帶展寬的原理。7)波導(dǎo)調(diào)制器與集成光學(xué)法強(qiáng)度調(diào)制器:根據(jù)脈沖整形的需要，強(qiáng)度調(diào)制器工作在半波電壓處，這時輸出的是最小光強(qiáng)。在此基礎(chǔ)上，加一定形狀的電脈沖，即達(dá)到了光脈沖整形的目的。通過改變調(diào)制器的偏置電壓，可以控制輸出激光的強(qiáng)度，就可以獲得形狀符合要求的激光脈沖。7)波導(dǎo)調(diào)制器與集成光學(xué)法波導(dǎo)相位、強(qiáng)度調(diào)制器脈沖整形示意圖7)波導(dǎo)調(diào)制器與集成光學(xué)法集成光學(xué)調(diào)制器:以集成光學(xué)和光纖技術(shù)替代了塊狀普克爾盒削波技術(shù)。核心元件是用于脈沖整形和頻譜加寬的電光波導(dǎo)調(diào)制器，關(guān)鍵元件則是整形電脈沖發(fā)生器。集成光學(xué)調(diào)制器輸出的整形激光脈沖的形狀和寬度主要取決于輸入調(diào)制器的整形電脈沖的形狀和寬度。為了較靈活地控制整形激光脈沖的形狀和寬度，要求對電脈沖的形狀和寬度都能有效、靈活地控制。7)波導(dǎo)調(diào)制器與集成光學(xué)法利用集成光學(xué)方法進(jìn)行激光脈沖整形，融入了目前最先進(jìn)的技術(shù):激光二級管泵浦的單縱模固體激光器技術(shù)集成光學(xué)電光波導(dǎo)調(diào)制技術(shù)單模保偏光纖傳輸技術(shù)。8)傅里葉光譜法原理：先使入射光脈沖的各頻譜分量產(chǎn)生空間色散，然后用特制的掩模片進(jìn)行光譜濾波，最后將各頻率分量重新合并到一起，獲得所需要形狀的光脈沖。整形裝置包括一對相同的透鏡和光柵，兩透鏡共焦放置，組成1:1的開普勒望遠(yuǎn)鏡。按要求設(shè)計(jì)的濾波膜片放置在透鏡共焦面上，兩光柵分別反平行放置在兩透鏡的另外兩個焦平面上。8)傅里葉光譜法濾波膜片：1)利用微金屬版圖案技術(shù)制做的固定相位膜或振幅膜2)空間光調(diào)制器列陣

液晶空間光調(diào)制器聲光偏轉(zhuǎn)器3)可移動鏡和變形鏡4)照相底片9)受激布里淵散射法受激布里淵散射脈沖整形原理圖

2.典型激光裝置的脈沖整形系統(tǒng)1)SHIVA裝置的脈沖整形系統(tǒng)

美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室1977整形系統(tǒng)由輸出長、短脈沖的激光器組成，短脈沖系統(tǒng)為調(diào)Q鎖模Nd:YAG激光器，通過改變腔內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)具的厚度和控制聲光調(diào)制器射頻功率的方法改變鎖模脈沖的寬度，脈寬在0.09-1.1ns可調(diào).到1980年，為了滿足實(shí)驗(yàn)要求，在SHIVA上加了一套長脈沖整形系統(tǒng)，它由一臺單縱模調(diào)QNd:YAG激光器和激光脈沖削波器組成.SHIVA具備了寬度從0.09-35ns可變的單脈沖輸出能力2.典型激光裝置的脈沖整形系統(tǒng)2)Nova裝置的脈沖整形系統(tǒng)美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室1984兩臺主振蕩器+電光調(diào)制器+脈沖壓縮單元系統(tǒng)由單縱模激光器、光脈沖整形器和光脈沖削波器組成。光脈沖整形器是由高壓復(fù)雜電脈沖驅(qū)動的普克爾盒和偏振器構(gòu)成，光脈沖削波器則是由高壓方波電脈沖驅(qū)動的普克爾盒和偏振器組成。脈沖寬度可調(diào)、脈沖形狀可變:10ps~10ns2