本發(fā)明屬于激光系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)涉及一種高功率多程放大激光系統(tǒng)的光路設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

慣性約束聚變是靠粒子本身的慣性來(lái)實(shí)現(xiàn)“約束”的一種聚變方法，是一種將物質(zhì)壓縮并加熱到高溫高密度狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)可控?zé)岷司圩兊目茖W(xué)技術(shù)，其產(chǎn)生的物質(zhì)狀態(tài)屬于高能量密度物理研究的范疇，通常需要建造大型驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)能量加載，如高功率激光裝置、高能粒子束裝置、z箍縮裝置等。

目前，在這些驅(qū)動(dòng)器技術(shù)中，激光驅(qū)動(dòng)方式最為成熟，能夠?yàn)閼T性約束聚變提供“點(diǎn)火”量級(jí)的驅(qū)動(dòng)能量。因此，世界主要大國(guó)均開展了不同程度的激光核聚變研究，并建造了系列大型高功率固體激光驅(qū)動(dòng)器，如美國(guó)的國(guó)家點(diǎn)火裝置(nationalignitionfacility)，法國(guó)的兆焦耳激光裝置(lasermegajoule)和中國(guó)的神光系列激光裝置等。這些裝置均采用了組合口徑、多程放大(四程)的激光技術(shù)方案，即將多束激光排列成組束結(jié)構(gòu)(如4×2陣列)，并使脈沖多次通過(guò)放大器來(lái)提取能量，以提高系統(tǒng)的抽取效率，降低整體造價(jià)。

隨著研究的深入，人類目前已實(shí)現(xiàn)了聚變?nèi)剂系摩亮Ｗ蛹訜幔⒅鸩奖平圩凕c(diǎn)火，且有望在將來(lái)實(shí)現(xiàn)清潔的聚變能源。在向清潔能源邁進(jìn)的道路上，激光驅(qū)動(dòng)器的建設(shè)成本成為關(guān)鍵制約因素之一，為了降低裝置造價(jià)，人們將采用更多程數(shù)及更為復(fù)雜的多程放大激光系統(tǒng)設(shè)計(jì)。光路是多程放大激光系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題之一，決定了能流設(shè)計(jì)、脈沖注入輸出和級(jí)間隔離的可實(shí)現(xiàn)性，傳統(tǒng)光路設(shè)計(jì)基于反射定律與折射定律，在空間域進(jìn)行。由于面向未來(lái)裝置的多程放大激光系統(tǒng)復(fù)雜程度更高和優(yōu)化維度更多，空間光路設(shè)計(jì)方法難度大，在一定程度限制了多程放大激光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)空間。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的種種不足，為了解決上述問(wèn)題，發(fā)明人根據(jù)光束傳播的空域可以與脈沖傳輸?shù)臅r(shí)域相對(duì)應(yīng)，在脈沖傳輸過(guò)程中，許多時(shí)域無(wú)法分析的問(wèn)題都通過(guò)變換到頻域來(lái)進(jìn)行，發(fā)明人將角譜對(duì)稱理論應(yīng)用于光束傳播過(guò)程中，將空間光路設(shè)計(jì)變換到空間頻域來(lái)進(jìn)行，根據(jù)多程放大激光系統(tǒng)的光路特點(diǎn)，利用角譜對(duì)稱實(shí)現(xiàn)了任意構(gòu)型的高功率多程放大激光系統(tǒng)的光路設(shè)計(jì)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種高功率多程放大激光系統(tǒng)的光路設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

s1：用空間頻譜上的點(diǎn)表征各程光束的走向和腔反射鏡姿態(tài)，建立各程光路頻譜點(diǎn)和腔反射鏡頻譜點(diǎn)；

s2：基于相鄰光程的光路頻譜點(diǎn)相對(duì)于腔反射鏡頻譜點(diǎn)對(duì)稱，構(gòu)建各程光路頻譜點(diǎn)和腔反射鏡頻譜點(diǎn)的相互關(guān)系；

s3：在二維平面內(nèi)解析出各頻譜點(diǎn)的位置；

s4：確定空間濾波器中小孔分布位置、各程光束走向和腔反射鏡姿態(tài)，完成多程放大激光系統(tǒng)的光路設(shè)計(jì)。

進(jìn)一步，所述激光系統(tǒng)包括第一腔反射鏡、第二腔反射鏡、空間濾波器、放大器、等離子體電光開關(guān)和偏振片，所述第一腔反射鏡、第二腔反射鏡分別位于系統(tǒng)的兩端，所述空間濾波器由2個(gè)透鏡和小孔陣列組成，對(duì)光束進(jìn)行空間低通濾波，所述放大器位于空間濾波器的側(cè)面，所述等離子體電光開關(guān)和偏振片位于空間濾波器同側(cè)，所述偏振片位于等離子體電光開關(guān)和第二腔反射鏡之間。

進(jìn)一步，在步驟s1之前還包括驗(yàn)證所述激光系統(tǒng)是否滿足工程應(yīng)用，具體驗(yàn)證方法為：

所述激光系統(tǒng)的放大程數(shù)為n，小孔陣列間距為a，2個(gè)透鏡的焦距分別為f1和f2，若且則所述激光系統(tǒng)滿足工程應(yīng)用，反之，所述激光系統(tǒng)不滿足工程應(yīng)用，不能進(jìn)行光路設(shè)計(jì)。

進(jìn)一步，所述步驟s1中，建立各程光路頻譜點(diǎn)和腔反射鏡頻譜點(diǎn)的方法為：

將小孔陣列所處位置設(shè)為空間頻率面，各程光束依次聚焦于空間頻率面形成各程光路頻譜點(diǎn)，設(shè)定一程光路頻譜點(diǎn)為(x1，y1)、二程光路頻譜點(diǎn)為(x2，y2)、n程光路頻譜點(diǎn)為(xn，yn)，所述各程光路頻譜點(diǎn)表征光束的走向，用腔反射鏡的頻譜點(diǎn)表征各腔反射鏡的法線指向，設(shè)定第一腔反射鏡的頻譜點(diǎn)為(xc1，yc1)，第二腔反射鏡的頻譜點(diǎn)為(xc2，yc2)。

進(jìn)一步，所述步驟s2中，各程光路頻譜點(diǎn)和腔反射鏡頻譜點(diǎn)的相互關(guān)系為：

其中，

其中，q(n/2)表示n/2的整數(shù)商。

進(jìn)一步，所述步驟s3中，根據(jù)所述激光系統(tǒng)的光路設(shè)計(jì)目標(biāo)，列出額外的頻譜點(diǎn)關(guān)系方程，并結(jié)合各程光路頻譜點(diǎn)和腔反射鏡頻譜點(diǎn)的相互關(guān)系，在二維平面內(nèi)解析出各頻譜點(diǎn)的位置。

進(jìn)一步，所述步驟s4中，各程光路頻譜點(diǎn)即為空間濾波器中小孔分布位置。

進(jìn)一步，所述步驟s4中，各程光束走向的確定方法為：

n＝(1→n)，其中，θn(x)表示n程光束光軸沿第一腔反射鏡到空間濾波器方向與透鏡光軸在x軸方向的夾角，θn(y)表示n程光束光軸沿第一腔反射鏡到空間濾波器方向與透鏡光軸在y軸方向的夾角。

進(jìn)一步，所述步驟s4中，腔反射鏡姿態(tài)包括第一腔反射鏡姿態(tài)和第二腔反射鏡姿態(tài)；

所述第一腔反射鏡姿態(tài)的確定方法為：

其中，θc1(x)為第一腔反射鏡的法線沿第一腔反射鏡到空間濾波器方向與透鏡光軸在x軸方向的夾角，θc1(y)為第一腔反射鏡的法線沿第一腔反射鏡到空間濾波器方向與透鏡光軸在y軸方向的夾角；

所述第二腔反射鏡姿態(tài)的確定方法為：

其中，θc2(x)為第二腔反射鏡的法線沿第二腔反射鏡到空間濾波器方向與透鏡光軸在x軸方向的夾角，θc2(y)為第二腔反射鏡的法線沿第二腔反射鏡到空間濾波器方向與透鏡光軸在y軸方向的夾角。

本發(fā)明的有益效果是：

將角譜對(duì)稱理論應(yīng)用于光束傳播過(guò)程中，將光束在腔反射鏡上滿足的反射定律簡(jiǎn)化為空間頻率點(diǎn)的對(duì)稱關(guān)系，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程，同時(shí)，在二維空間頻域設(shè)計(jì)多程放大激光系統(tǒng)的光路，不需要對(duì)光束傳輸過(guò)程進(jìn)行復(fù)雜的方程求解，整個(gè)設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單易行，特別適用于高功率多程放大激光系統(tǒng)的光路設(shè)計(jì)，另外，適用范圍廣，不僅適用于傳統(tǒng)的4程放大，還適用于更為復(fù)雜的6程、8程以及特殊構(gòu)型的光路設(shè)計(jì)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的流程框圖；

圖2是激光系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)；

圖3為實(shí)施例二中光路頻譜點(diǎn)和腔反射鏡頻譜點(diǎn)的示意圖；

圖4為實(shí)施例二中各程光束和腔反射鏡姿態(tài)的四種優(yōu)化分布圖；

圖5為實(shí)施例三中光路頻譜點(diǎn)和腔反射鏡頻譜點(diǎn)的示意圖；

圖6為實(shí)施例三中各程光束和腔反射鏡姿態(tài)的四種優(yōu)化分布圖。

附圖中：1-第一腔反射鏡、2-放大器、3-透鏡、4-小孔陣列、5-透鏡、6-等離子體電光開關(guān)、7-偏振片、8-放大器、9-第二腔反射鏡、10-光束。

具體實(shí)施方式

為了使本領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合本發(fā)明的附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述，基于本申請(qǐng)中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的其它類同實(shí)施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本申請(qǐng)保護(hù)的范圍。此外，以下實(shí)施例中提到的方向用詞，例如“上”“下”“左”“右”等僅是參考附圖的方向，因此，使用的方向用詞是用來(lái)說(shuō)明而非限制本發(fā)明創(chuàng)造。

實(shí)施例一：

如圖2所示，所述激光系統(tǒng)包括2個(gè)腔反射鏡、空間濾波器、2個(gè)放大器、等離子體電光開關(guān)6和偏振片7，所述腔反射鏡包括分別位于激光系統(tǒng)兩端的第一腔反射鏡1、第二腔反射鏡9，光束10可在2個(gè)腔反射鏡之間多次反射，所述空間濾波器由2個(gè)透鏡和小孔陣列4組成，對(duì)光束10進(jìn)行空間低通濾波，所述透鏡包括透鏡3和透鏡5，所述2個(gè)放大器分別位于空間濾波器的兩側(cè)，其包括放大器2和放大器8，所述等離子體電光開關(guān)6和偏振片7位于空間濾波器同側(cè)，所述偏振片7位于等離子體電光開關(guān)6和第二腔反射鏡9之間，所述等離子體電光開關(guān)6用于控制光束10偏振態(tài)，所述偏振片7位于等離子體電光開關(guān)6和腔反射鏡之間，用于導(dǎo)出激光。在其他一些實(shí)施例中，所述激光系統(tǒng)包括1個(gè)放大器，所述放大器位于空間濾波器的一側(cè)。

現(xiàn)以2個(gè)放大器為例說(shuō)明光束10的傳輸光程，光束10從小孔陣列4附近注入，經(jīng)過(guò)透鏡3后準(zhǔn)直為平行光，經(jīng)過(guò)放大器2一次放大后傳輸?shù)降谝磺环瓷溏R1，由第一腔反射鏡1反射經(jīng)放大器2二次放大，通過(guò)空間濾波器傳輸?shù)降入x子體電光開關(guān)6，等離子體電光開關(guān)6加高壓電控制偏振片7，使光束10透過(guò)偏振片7傳輸?shù)椒糯笃?，過(guò)放大器8三次放大后傳輸?shù)降诙环瓷溏R9，由第二腔反射鏡9反射經(jīng)放大器8四次放大，經(jīng)偏振片7、等離子體電光開關(guān)6、空間濾波器、放大器2再次傳輸?shù)降谝磺环瓷溏R1，直至進(jìn)行了所需的n程放大后，光束10到達(dá)等離子體電光開關(guān)6時(shí)開關(guān)關(guān)閉，光束10通過(guò)偏振片7反射輸出。

如圖1-2所示，現(xiàn)以2個(gè)放大器為例說(shuō)明激光系統(tǒng)的光路設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

s1：驗(yàn)證所述激光系統(tǒng)是否滿足工程應(yīng)用，具體驗(yàn)證方法為：

角譜對(duì)稱理論是旁軸條件下的近似分析方法，必須對(duì)其進(jìn)行誤差評(píng)估，設(shè)定所述激光系統(tǒng)的放大程數(shù)為n，小孔陣列4間距為a，透鏡3和透鏡5的焦距分別為f1和f2，當(dāng)且所述激光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)誤差小于0.1μrad，設(shè)計(jì)誤差遠(yuǎn)小于激光系統(tǒng)光束角漂，則所述激光系統(tǒng)滿足工程應(yīng)用，適用于本發(fā)明所述的光路設(shè)計(jì)方法，反之，所述激光系統(tǒng)不滿足工程應(yīng)用，不能進(jìn)行光路設(shè)計(jì)；

s2：用空間頻譜上的點(diǎn)表征各程光束10的走向和腔反射鏡姿態(tài)，將小孔陣列4所處位置設(shè)為空間頻率面，各程光束依次聚焦于空間頻率面，因此，建立各程光路頻率點(diǎn)與光束在空間頻率面聚焦位置的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，設(shè)定一程光路頻譜點(diǎn)為(x1，y1)、二程光路頻譜點(diǎn)為(x2，y2)、n程光路頻譜點(diǎn)為(xn，yn)，所述各程光路頻譜點(diǎn)表征光束10的走向，用腔反射鏡的頻譜點(diǎn)表征各腔反射鏡的法線指向，設(shè)定第一腔反射鏡1的頻譜點(diǎn)為(xc1，yc1)，第二腔反射鏡9的頻譜點(diǎn)為(xc2，yc2)；

s3：基于相鄰光程的光路頻譜點(diǎn)相對(duì)于腔反射鏡頻譜點(diǎn)對(duì)稱，構(gòu)建各程光路頻譜點(diǎn)和腔反射鏡頻譜點(diǎn)的相互關(guān)系，具體為：

其中，

其中，q(n/2)表示n/2的整數(shù)商；

s4：根據(jù)所述激光系統(tǒng)的光路設(shè)計(jì)目標(biāo)，列出額外的頻譜點(diǎn)關(guān)系方程，并結(jié)合各程光路頻譜點(diǎn)和腔反射鏡頻譜點(diǎn)的相互關(guān)系，在二維平面內(nèi)解析出各頻譜點(diǎn)的位置；

s5：確定空間濾波器中小孔分布位置、各程光束走向和腔反射鏡姿態(tài)，完成多程放大激光系統(tǒng)的光路設(shè)計(jì)；

s51：各程光路頻譜點(diǎn)即為空間濾波器中小孔分布位置；

s52：各程光束走向的確定方法為：

n＝(1→n)，其中，θn(x)表示n程光束10光軸沿第一腔反射鏡1到空間濾波器方向與透鏡光軸在x軸方向的夾角，θn(y)表示n程光束10光軸沿第一腔反射鏡1到空間濾波器方向與透鏡光軸在y軸方向的夾角；

s53：腔反射鏡姿態(tài)包括第一腔反射鏡姿態(tài)和第二腔反射鏡姿態(tài)；

所述第一腔反射鏡姿態(tài)的確定方法為：

其中，θc1(x)為第一腔反射鏡1的法線沿第一腔反射鏡1到空間濾波器方向與透鏡光軸在x軸方向的夾角，θc1(y)為第一腔反射鏡1的法線沿第一腔反射鏡1到空間濾波器方向與透鏡光軸在y軸方向的夾角；

所述第二腔反射鏡姿態(tài)的確定方法為：

其中，θc2(x)為第二腔反射鏡9的法線沿第二腔反射鏡9到空間濾波器方向與透鏡光軸在x軸方向的夾角，θc2(y)為第二腔反射鏡9的法線沿第二腔反射鏡9到空間濾波器方向與透鏡光軸在y軸方向的夾角。同理，所述光路設(shè)計(jì)方法同樣適用于1個(gè)放大器的激光系統(tǒng)。

實(shí)施例二：

本實(shí)施例與實(shí)施例一相同的部分不再贅述，不同的是：

n＝4，a＝20mm，f1＝12000mm，f2＝12000mm，設(shè)計(jì)目標(biāo)是三程光束與四程光束的水平輸出角度相同，垂直公差達(dá)到最小間距20mm，一程注入光束與四程光束垂直角度相同，各程光束的離軸公差優(yōu)化到最小。

首先，根據(jù)設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)，計(jì)算得到且滿足工程應(yīng)用要求，可以使用本設(shè)計(jì)方法進(jìn)行光路設(shè)計(jì)。

其次，如圖3所示，在空間頻率面，pass.1表示一程光路頻譜點(diǎn)，其坐標(biāo)為(x1，y1)，pass.2表示二程光路頻譜點(diǎn)，其坐標(biāo)為(x2，y2)，pass.3表示三程光路頻譜點(diǎn)，其坐標(biāo)為(x3，y3)，pass.4表示光路頻譜點(diǎn)，其坐標(biāo)為(x4，y4)，cm1表示第一腔反射鏡1的頻譜點(diǎn)，其坐標(biāo)為(xc1，yc1)，cm2表示第二腔反射鏡9的頻譜點(diǎn)，其坐標(biāo)為(xc2，yc2)；

構(gòu)建各程光路頻譜點(diǎn)和腔反射鏡頻譜點(diǎn)的相互關(guān)系，具體為：

簡(jiǎn)化，得到：

根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，三程光束與四程光束的水平輸出角度相同，垂直公差達(dá)到最小間距20mm，得到：x3-x4＝0，|y3-y4|＝20；根據(jù)一程注入光束與四程光束垂直角度相同，得到：y1-y4＝0，將上述額外的頻譜點(diǎn)關(guān)系方程與各程光路頻譜點(diǎn)和腔反射鏡頻譜點(diǎn)的相互關(guān)系相結(jié)合，可以得到：或

小孔陣列4中兩孔間距≥a，取為相等，得到：|xc1-xc2|＝10，用l0表征各程光束綜合離軸的頻率點(diǎn)均方值，則

令xc1＝y(tǒng)c1＝0，其對(duì)應(yīng)離軸為最優(yōu)分布，如圖4所示，可以得到各程光束和腔反射鏡姿態(tài)的四種優(yōu)化分布：

最后，選擇第一種優(yōu)化分布作為設(shè)計(jì)輸出，確定空間濾波器中小孔分布位置、各程光束走向和腔反射鏡姿態(tài)，完成多程放大激光系統(tǒng)的光路設(shè)計(jì)。

其中，各程光路頻譜點(diǎn)即為空間濾波器中小孔分布位置，各程光束走向?yàn)椋?imgfile="bda0001302890270000122.gif"wi="700"he="252"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>第一腔反射鏡1姿態(tài)為：θc1(x)＝0，θc1(y)＝0，第二腔反射鏡9姿態(tài)為：θc2(x)＝-0.83mrad，θc2(y)＝0.83mrad。

實(shí)施例三：

本實(shí)施例與實(shí)施例一至二相同的部分不再贅述，不同的是：

n＝6，a＝20mm，f1＝12000mm，f2＝12000mm，設(shè)計(jì)目標(biāo)是一程注入光束與六程光束垂直角度相同，在各程光束的綜合離軸公差優(yōu)化到最小基礎(chǔ)上，優(yōu)化水平離軸公差至最小。

計(jì)算且滿足工程應(yīng)用要求，如圖5所示，pass.1表示一程光路頻譜點(diǎn)，其坐標(biāo)為(x1，y1)，pass.2表示二程光路頻譜點(diǎn)，其坐標(biāo)為(x2，y2)，pass.3表示三程光路頻譜點(diǎn)，其坐標(biāo)為(x3，y3)，pass.4表示光路頻譜點(diǎn)，其坐標(biāo)為(x4，y4)，pass.5表示五程光路頻譜點(diǎn)，其坐標(biāo)為(x5，y5)，pass.6表示六程光路頻譜點(diǎn)，其坐標(biāo)為(x6，y6)，cm1表示第一腔反射鏡1的頻譜點(diǎn)，其坐標(biāo)為(xc1，yc1)，cm2表示第二腔反射鏡9的頻譜點(diǎn)，其坐標(biāo)為(xc2，yc2)，得到：根據(jù)一程注入光束與六程光束垂直角度相同，得到：y1-y6＝0，根據(jù)各孔間距大于a，得到：(x1-3xc1+2xc2)²≥10²，(xc1-xc2)²+(yc1-yc2)²≥10²，根據(jù)綜合離軸公差最小，得到：

水平離軸lh公差最小，得到：令xc1＝y(tǒng)c1＝xc2＝0，|yc1-yc2|＝10，|x1-3xc1+2xc2|＝10，得到各程光束和腔反射鏡姿態(tài)的四種優(yōu)化分布，如圖6所示：

最后，選擇第一種優(yōu)化分布作為設(shè)計(jì)輸出，確定空間濾波器中小孔分布位置、各程光束走向和腔反射鏡姿態(tài)，完成多程放大激光系統(tǒng)的光路設(shè)計(jì)。

其中，各程光路頻譜點(diǎn)即為空間濾波器中小孔分布位置，各程光束走向確定為：第一腔反射鏡1姿態(tài)為：θc1(x)＝0，θc1(y)＝0，第二腔反射鏡9姿態(tài)為：θc2(x)＝0，θc2(y)＝0.83mrad。

以上已將本發(fā)明做一詳細(xì)說(shuō)明，以上所述，僅為本發(fā)明之較佳實(shí)施例而已，當(dāng)不能限定本發(fā)明實(shí)施范圍，即凡依本申請(qǐng)范圍所作均等變化與修飾，皆應(yīng)仍屬本發(fā)明涵蓋范圍內(nèi)。