[发明专利]高功率激光系统的多程相位调制装置

说明书

技术领域

本发明涉及高功率激光系统，特别是一种用于高功率激光系统的多程相位调制装置，该装置对于实现靶面的均匀辐照有着重要的作用。

背景技术

在高功率激光系统中，由于物理实验的需要，要求最终辐照在靶面上的光强分布是顶部平坦、边缘陡峭且无旁瓣的矩形分布。然而，光脉冲在高功率激光系统中经过多级放大器，最终输出时，会在空间上呈现一定的强度和相位畸变。另一方面，即使从高功率激光系统中输出的光脉冲是无强度和相位畸变的均匀平面波，当它通过聚焦透镜辐照到靶面上时，受衍射效应影响，远场焦斑近似为爱里斑，也与理想的矩形分布相差较大。为实现靶面的均匀辐照。目前已发展起来多种光束匀滑技术，光谱色散匀滑技术（SSD技术）是其中的重要手段之一(S.Skupsky，R.W.Short,et al.,J.Appl.Phys.66(8):3456(1989))。相位调制技术是SSD技术中的一个重要的单元环节，通过相位调制技术可以将光脉冲的光谱宽度展宽到Δv＝2δv_m(S.Skupsky，R.W. Short,et al.,J.Appl.Phys.66(8):3456(1989))，其中，ν_m是相位调制器的调制频率，δ是相位调制器的调制深度，δ与相位调制器中的电光晶体的长度L有关，在光脉冲满足光波和微波相位匹配的条件下，L越长，δ越大，相位调制器对光脉冲的光谱展宽能力也就越强。有研究表明，较宽的光谱宽度有利于提高SSD技术的光束匀滑速率，使靶面得到更好的均匀辐照(Two-dimensional SSD on Omega,LLE Rev.69:1(1996))。

然而，光脉冲单程通过相位调制器时，相位调制器对光脉冲的相位调制的调制深度是一定的，因此对光脉冲的光谱展宽能力是有限的。中科院上海光机所的张琥杰等人提出采用双程相位调制结构来提高相位调制器调制度，从而提高相位调制器对光脉冲的光谱展宽能力的方法（张琥杰等，光学学报，30(4):1071(2010)）。该双程相位调制装置的结构如图1所示，偏振态为第二类型偏振光的入射光脉冲以布儒斯特角入射到薄膜偏振片TFP上，光脉冲被TFP反射，通过法拉第旋光器，光脉冲的偏振方向旋转45°，然后通过相位调制器，被0°全反镜M反射后，再次通过经相位调制器，然后光脉冲通过法拉第旋光器，偏振方向沿第一次旋转方向继续旋转45°，此时光脉冲变为第一偏振光，经薄膜偏振片TFP透射输出。在该装置中，光脉冲通过相位调制器两次，经历了两次相位调制。通过沿光束传输方向仔细调节反射镜M的位置，使光波和微波满足相位匹配条件(nL+2d)/c＝m/v_m，那么光脉冲第二次通过相位调制器时得到的相位调制的调制深度δ₂可以与前一次的调制深度δ₁进行累加，从而增大相位调制器对光脉冲的调制深度，提高相位调制器对光脉冲的光谱展宽能力。上式中，n和L分别为相位调制器中电光晶体的折射率和长度，d是全反镜M与相位调制器之间的距离，c为真空中的光速，m为整数。

为了进一步提高相位调制器光脉冲的光谱展宽能力，以满足物理实验的需求，需要采用多程相位调制的方式来使光脉冲多次通过相位调制器。张琥杰等人在文章中提出了对一种多程相位调制的设想方案，如图2所示。该装置的工作原理是，入射的第二类型偏振光脉冲经薄膜偏振片TFP1反射进入光路系统，此时电光开关1未开启，光脉冲经薄膜偏振片TFP2反射入射到电光开关2上，电光开关2开启，光脉冲通过相位调制器，经0°全反镜M1反射，再次通过相位调制器，待光脉冲再次通过电光开关2后，关闭电光开关2，此时光脉冲的偏振方向较入射时的偏振方向旋转了90°，光脉冲变为第一类型偏振光，被第二薄膜偏振片TFP2透射，然后在以M2和M4为腔镜的谐振腔内往返多次通过相位调制器，这里，电光开关2开启时起到了四分之一波片的作用，当需要导出光脉冲时，同时开启电光开关1、2，光脉冲两次通过电光开关2变为第二类型偏振光，经TFP2反射，通过电光开关1,光脉冲偏振态旋转90°，变为第一类型偏振光，然后光脉冲从TFP1透射导出腔外，电光开关1开启时起二分之一波片的作用，可以使第一类型偏振光转变为第二类型偏振光。通过在光束传输方向上平移全反镜M1和M2可以使，光脉冲每次通过相位调制器时都满足相位匹配条件，使相位调制器对光脉冲的调制深度可以进行累加，从而提高了相位调制器对光脉冲的光谱展宽能力。