[发明专利]列阵柱面透镜线聚焦系统

说明书

本发明是属于光学和激光技术领域的一种线聚焦系统。它能把光束会聚成细而长（高纵横比），光强分布均匀，直线性良好的焦线，特别适合于X射线激光的研究，也适用于激光热处理和极端物理条件（大于10⁷°K的高温，大于10⁶大气压的高气压）物质状态的研究。

这类激光线聚焦系统，目前国际所用的，主要有二种：一种是由一个单柱面透镜与一个会聚透镜组合而成，在会聚透镜焦点处可以获得焦线，在光路中放置内接方形光栏可以获得光强分布均匀的激光焦线。例如，美国洛仑兹·列弗莫尔国家实验室的X射线激光研究中使用的就是这种系统（L.G  Sappala，Laser  Program  Annual  Report  84  Lawrence  Livermore  Nafional  Laboratory  P2-47，48，51）。另一种是用离轴球面反射镜与一个会聚透镜组合而成。同样在光路中必须放置一个近似方形的光栏以获得光强分布均匀的激光焦线。这种系统是英国卢瑟福实验室发明并使用的（I.N  Ross  et  al  J·Phys.E·Sci  Instrum  Vol  18  1985  P169-172及Appl  Opt  Vol  26  No9  P1585-1586）。

上述二种激光线聚焦系统有一共同的缺点，那就是为了获得光强分布均匀的焦线均必须在光路中放置内接方形光栏，而方形光栏将要档掉（或称损失）30%以上的被会聚的激光能量。因为，被会聚的激光光束截面一般都是圆形，而激光焦线上任何一点的光强将决定于入射光束上垂直于焦线长度方向某相应的一条线上的光强总和。因此，焦线长度方向的中间部分光强比较强，而二边逐渐减弱直至焦线二端点附近的光强为零。为了使焦线光强分布均匀，就必须采取插入方形光栏的方法以档掉四边不均匀的部分。被档掉的这部分的激光能量约占30%，这是非常可惜的。另外，如果入射激光束截面内光强的空间分布是不均匀的（如通常所说的中心光强比较强，并逐渐向边缘减弱的高斯型分布），那么即使加方形光栏也还是得不到光强分布均匀的激光焦线。

本发明的线聚焦系统其目的就是为了克服上述系统的缺点和困难，发明了一种既可以产生细而长（高纵横比），光强分布均匀的，高质量的激光焦线，又可以不损失被会聚的激光能量的线聚焦系统，即列阵柱面透镜线聚焦系统。

本发明的系统是用多块（2块以上）相同宽度d，相同焦距fc，长条形的单元柱面透镜对称的平行排列，侧面胶合而成的柱面透镜列阵与一个会聚透镜组成。其结构示意于图1。多块柱面透镜胶合后的列阵可以磨成圆形，配以玻璃圆框，列阵的直径可以稍大于被会聚光束的直径。当截面为圆形的光束入射到整齐排列的柱面透镜列阵上时，经过每块长条形单元柱面透镜均和会聚透镜产生一条符合长度要求但光强分布不均匀的光焦线。因为单元柱面透镜是对称排列的，虽然对于任何一个单元柱面透镜与会聚透镜所形成的焦线其光强分布是不均匀的，但与该单元柱面镜相对称的另一单元柱面透镜所产生的光焦线的不均匀光强分布其强弱恰恰相反，两者叠加后相互补偿，变成一条光强分布比较均匀的焦线。这样列阵柱面透镜上所有单元柱面透镜与会聚透镜所产生的焦线都在会聚透镜的焦点处叠加，叠加后的焦线其光强分布相互补偿、平均，最后成为一条细而长，光强分布均匀的理想的光焦线。它的光路示意图如图2所示。

本发明的列阵柱面透镜线聚焦系统中，每个单元长条柱面透镜的宽度、焦距可以根据要求设计确定。它们的相互关系是：

L= (D·f)/(n·fc)

其中，L：要求的焦线长度。

D：被会聚的激光光束的口径。

f：会聚透镜的焦距。

f_c：单元柱面透镜的焦距。

n：列阵的单元柱面透镜块数。

一般来说，D、f都是已知的，L是根据实验或使用要求提出的，n应根据L和D的数值选择，通常单元柱面透镜的宽度应大于焦线长度。即（D/n）＞L，其中n＞2，n的数目越大，焦线的均匀性越好，但n不易选择太大，否则加工比较困难。当n确定后，f_c就可以求得，单元柱面透镜的宽度D/n也可以求得。如果加工成平凹或平凸柱面透镜，那么单元柱面透镜凹或凸面的曲率半径约为f_c/α。当然也可以加工成双凹，双凸等形式的柱面透镜。

本发明的优点为：

（1）本发明线聚焦系统由于采用多块柱面透镜产生多条焦线的叠加，因而获得光强分布均匀的焦线。且充分利用被会聚光束口径内的所有的光线。因而不损失被会聚的入射光的能量。