[发明专利]一种单光束动态聚焦方法

说明书

技术领域

本发明属于激光设备技术领域，具体地说涉及一种单光束动态聚焦方法。

背景技术

在激光惯性约束聚变的直接驱动方式中，激光直接辐照在靶丸上，靶丸在内爆过程中不断压缩变小，激光束初始形成的焦斑与压缩后的靶丸不再匹配，能量从靶丸边缘流失。此外，在直接驱动中，靶丸上焦斑的交叉重叠会激发离子声波，使得光束能量通过离子声波从当前束转移到邻近束，破坏内爆对称性。

一般来说，不同的靶设计对焦斑尺寸的要求是不同的。例如，NIF装置(国家点火装置)采用的靶丸直径约2018μm，压缩过程的焦斑直径约1710μm，而点火的焦斑直径约800μm，焦斑尺寸在压缩过程中需减小约53％；罗彻斯特大学Omega钕玻璃激光装置采用的靶丸直径约930μm，压缩过程的焦斑直径约700μm，点火采用长短轴直径分别为288μm与212μm的椭圆焦斑，焦斑尺寸需减小约64％。一般来说，在靶丸辐照初期，焦斑直径约为靶丸直径的0.9倍，具有较好的辐照均匀性，随着压缩过程产生等离子体，焦斑直径约为靶丸直径的0.7～0.5倍，具有较高的吸收效率且满足辐照均匀性要求。

目前，实现动态聚焦的方法均是采用组束的方式。激光装置将一个集束分为多束光，每束光有各自的激光脉冲和焦斑形态，在靶丸压缩过程中随时间打开或关闭每束光，逐步减小焦斑尺寸，实现动态聚焦。然而，组束动态聚焦为了实现与单脉冲压缩相似的效果，必须要对不同时刻出射的脉冲光束进行精密的时间控制。另外，组束动态聚焦是由各个很短的子脉冲在时间上拼接而成，而装置放大器在单位时间内对能量的提取效率有限，短脉冲放大将大大降低装置的输出能力。因此，在靶丸压缩过程中逐渐减小焦斑尺寸，即实现动态聚焦，对提高流体力学稳定性和束靶耦合效率具有重要意义。

发明内容

针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种所需光学元件少、实现功能多、易于操作、可实现化程度高、不存在短脉冲放大饱和降低激光系统输出能力的单光束动态聚焦方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种单光束动态聚焦方法，包括由激光源发射激光脉冲，所述激光脉冲经过全息光栅聚焦到靶丸，所述激光脉冲的波长呈增大趋势变化，且所述波长的变化范围与靶丸压缩变化过程中焦斑尺寸变化匹配。

进一步，所述激光源与全息光栅设置为同光轴结构，所述激光脉冲的波长为λ，所述λ由λ₁增大到λ₂，且0.5nm≤λ₂-λ₁≤1.5nm。

进一步，所述激光源处设置位相调制器，所述靶丸的压缩变化时间为n，则所述位相调制器对波长的调制频率为

进一步，所述全息光栅的制作过程包括以下步骤：

(1)选用熔石英作为基底，在基底上均匀涂上光刻胶；

(2)采用波长均为λ₀的平行光和点光源在光刻胶表面干涉，且λ₀为所述激光脉冲的中心波长，经过显影刻蚀操作，完成全息光栅的记录过程，且λ₁≤λ₀≤λ₂；

(3)将波长为λ的激光脉冲从全息光栅的背面入射，当λ＝λ₀时，在所述点光源位置出现与其相同的像点，当λ≠λ₀时，所述激光脉冲在不同的焦距处聚焦成像点，且其中，f₀为所述点光源与全息光栅中心的距离，其与激光脉冲的光束口径、光束空间排布匹配，f为激光脉冲的像点与全息光栅中心的距离。

进一步，所述点光源设置为离轴结构，其离轴角度θ为10-20°。

进一步，当λ＝λ₁时，波长为λ₁的激光脉冲的像点与全息光栅中心的距离为f₁，则当λ＝λ₂时，波长为λ₂的激光脉冲的像点与全息光栅中心的距离为f₂，则则激光脉冲的波长从λ₁增大到λ₂产生的相对变焦量Δf为：

进一步，所述波长为λ的激光脉冲在靶丸形成的焦斑尺寸为d，其在焦点形成的焦斑尺寸为d′，所述d与d′的关系表达式为：且

则

简化得：

根据靶丸压缩变化过程中对焦斑尺寸的变化要求，求得λ，其中，D为全息光栅的有效通光口径。