基于高分辨科学ccd相机的离轴抛物面镜调节方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于高分辨科学CCD相机的离轴抛物面镜调节方法，该方法是利用高分辨科学CCD相机，通过实时测量激光系统出射光束经离轴抛物面镜会聚后的焦点附近焦斑形状，来监控调节离轴抛物面镜。本发明的最大好处，就是利用本调节方法调节准直离轴抛物面镜的过程中，无需额外引入可见光波段的激光系统，这就避免了传统调节方法的复杂性。同时，也在很大程度上避免了由于引入激光束与原激光系统出射光束不能完全一致而引起的调节误差。同时，由于科学CCD相机不仅可对可见光感光，也可对红外及紫外等不可见波段的光感光，因此可用于各类输出波段高功率激光系统会聚抛物面镜的调节。
【专利说明】基于高分辨科学CCD相机的离轴抛物面镜调节方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及超强超快激光科学，特别是一种会聚光学元件的精密调节方法。是在科学CCD相机测量焦斑的基础上，精密调节会聚光学元件——离轴抛物面镜的方方法。
【背景技术】
[0002]超短超强激光科学以超短超强激光技术的发展、超短超强激光与物质的相互作用，以及在交叉学科和相关高【技术领域】中的应用为研究对象的一门学科，是当前基础科学研究重要的前沿领域。
[0003]在这一研究领域，超短超强激光系统的制造是实现极端物理条件，并进而揭示物质本质的基础。超短超强激光系统以能获得超高功率密度焦点而著称，因而对于超短超强激光系统，人们最为关注的物理指标是焦斑质量。因为不管利用任何类型的超短超强激光系统，真正参于与物质相互作用的是激光系统的会聚焦点。结果，对于强场激光科学研究，用于会聚光束的离轴抛物面镜的调节就至关重要，离轴抛物面镜的调节质量直接决定了最终用于光与物质相互作用的焦斑质量。
[0004]相对于折射光学系统，由于反射光学系统无色差的特点，反射镜经常被用于超强超短激光系统脉冲光束的会聚。理论上，由于抛物面反射聚焦方式具有消除球差的作用，因此在超强超快激光系统中，最为典型的会聚光学元件是离轴抛物面镜。对于透射式光学元件，我们可分别借助透射光和反射光两个标准来精密调节，因此调节精度较高。但对于反射式光学元件，由于只有反射光而没有透射光，因此很难用传统的调节透射光学元件的方式直接调节反射式光学元件。而抛物面反射镜几乎又是最难调节的反射光学元件之一。光轴的细微失准调节都将大大降低焦斑的可聚焦功率密度。
[0005]同时，对于大多数超短超强激光系统，由于所使用的增益介质一般为特定的类型(比如钛宝石晶体)，因此发射光束一般在红外或其它非可见光区域，肉眼不可见，这就进一步增加了调节难度。通常采用的办法是，借助于可见的He-Ne光调节抛物面镜，即利用双平行He-Ne激光束准直离轴抛物面镜。详见[Yeon H.Lee, Alignment of an off-axisparabolic mirror with two parallel He-Ne laser beams,1992,31(11):2287-2292]。一方面，这种调节方法非常复杂，另一方面，需要在高功率激光系统中额外引入He-Ne光调节系统。但对于多数的高功率激光系统，由于系统本身的设计及其光路的复杂性，在其中引入双平行He-Ne光调节系统非常困难。特别是，会聚离轴抛物面镜如果置于真空靶室的时候，额外引入激光调节系统就更为困难。而且，由于这种调节方法并非是利用激光系统本身的出射光束，而是通过额外引入其它光束来调节抛物面镜，本身就会引入一定误差。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于克服上述现有调节超短超强激光系统会聚离轴抛物面镜方法的不足，直接利用高功率激光系统的出射光束，通过采用高分辨科学CCD相机实时测量焦斑，来调节离轴抛物面镜。这种方法具有操作简单，调节精度高的特点。[0007]—种基于高分辨科学CCD相机的离轴抛物面镜调节方法，该方法是利用高分辨科学CCD相机，通过实时测量激光系统出射光束经离轴抛物面镜会聚后的焦点附近焦斑形状，来监控调节离轴抛物面镜。
[0008]所述的方法包括:
[0009]Al系统准备:将所述离轴抛物面镜(7)固定在电动调节平移台(3)上，电动调节平移台(3)包含离轴角调节旋钮(4)、俯仰旋钮(5)、倾斜旋钮(6)，离轴角调节旋钮(4)通过旋转离轴抛物面镜(7)可用于调节离轴抛物面镜(7)的离轴角，俯仰旋钮(5)用于调节离轴抛物面镜(7)的俯仰，倾斜旋钮(6)用于调节离轴抛物面镜(7)的左右倾斜；出射光束
(2)经离轴抛物面镜(7)会聚后形成会聚的焦点(8)，焦点(8)被具有高分辨率的科学CCD相机(9)检测；所述科学C⑶相机(9)固定在焦点⑶附近，科学C⑶相机(9)置于可水平方向移动的一维调节架上，先使科学CCD相机(9)在略微偏离焦点(8)中心的位置测量会聚焦斑；偏离程度以科学CCD相机(9)所测的焦斑，在大小上能明显体现焦斑的形状为准；移动电动调节平移台(3)，尽量使出射光束(2)照在离轴抛物面镜(7)中央；在调节离轴抛物面镜⑵前，加载小孔光阑⑴以使出射光束⑵为细光束，水平方向大距离移动科学CCD相机(9)并观察细光束在科学CCD相机(9)上的成像点，然后调节离轴抛物面镜(7)的俯仰旋钮(5)，以使细光束在科学CXD相机(9)等高位置成像；
[0010]A2粗调阶段:
[0011]A21首先调节电动调节平移台(3)的离轴角调节旋钮(4)，离轴抛物面镜(7)将绕自身中心轴旋转，使得成在科学CCD相机(9)上的焦斑形状为水平或垂直的扁平状光斑；此时，把科学CCD相机(9)移动到焦点(8)的前面和后面，要求焦点(8)前和后的焦斑要互相垂直，即:若焦前为水平扁平状光斑，则焦后应为垂直扁平状光斑，反之亦然；
[0012]A22调节电动调节平移台(3)的倾斜旋钮(6)，使得离焦位置的焦斑尽可能接近圆形；
[0013]A23前后移动科学C⑶相机(9)，找到焦斑最小的位置，此位置为离轴抛物面镜(7)的焦点(8)处，利用科学CCD相机(9)观察焦斑的大小，并记录焦点(8)处焦斑尺寸；
[0014]A3精调阶段:
[0015]A31重复步骤A21，使得焦前、焦后的扁平状光斑尽可能细长；重复步骤A22，使得离焦位置的焦斑尽可能接近圆形，此时，会发现离焦位置的焦斑较前述的焦斑小；重复步骤A23,记录焦点处焦斑尺寸；
[0016]A32多次重复步骤A31，当利用科学C⑶相机(9)记录的焦点处焦斑尺寸不再减小时，即观察到的焦斑为尽可能小且尽可能接近圆形的光斑时，调节结束。
[0017]所述的方法，由于科学CXD相机不仅可对可见光感光，也可对红外及紫外等不可见波段的光感光，因此可用于各类输出波段高功率激光系统会聚抛物面镜的调节。
[0018]本发明的最大好处，就是利用本调节方法调节准直离轴抛物面镜的过程中，无需额外引入可见光波段的激光系统，这就避免了传统调节方法的复杂性。同时， 也在很大程度上避免了由于引入激光束与原激光系统出射光束不能完全一致而引起的调节误差。同时，由于科学CCD相机不仅可对可见光感光，也可对红外及紫外等不可见波段的光感光，因此可用于各类输出波段高功率激光系统会聚抛物面镜的调节。【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本发明基于高分辨科学CCD相机的离轴抛物面镜调节的示意图。
【具体实施方式】
[0020]以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
[0021](I)首先要调节激光系统前端光学元件，以使出射光束2平行于系统的光学平台。出射光束2经离轴抛物面镜7会聚后形成会聚的焦点8，焦点8被具有高分辨率的科学CCD相机9检测。
[0022](2)所述离轴抛物面镜7固定在电动调节平移台3上，电动调节平移台3用于精密控制离轴抛物面镜7的位置(包括上下、左右和前后)、离轴角、左右倾斜方向和俯仰方向。可见，电动调节平移台3有6个运动自由度。电动调节平移台3包含离轴角调节旋钮4、俯仰旋钮5、倾斜旋钮6，离轴角调节旋钮4通过旋转离轴抛物面镜7可用于调节离轴抛物面镜7的离轴角，俯仰旋钮5用于调节离轴抛物面镜7的俯仰，倾斜旋钮6用于调节离轴抛物面镜7的左右倾斜。
[0023](3)通过位置调节旋钮来移动电动调节平移台3，尽量使出射光束2照在离轴抛物面镜7中央。
[0024](4)在调节离轴抛物面镜7前，加载小孔光阑I以使出射光束2为细光束，水平方向大距离移动科学CCD相机9并观察细光束在科学CCD相机9上的成像点，然后调节离轴抛物面镜7的俯仰旋钮5，以使细光束在科学CXD相机9等高位置成像。
[0025](5)所述科学(XD相机9固定在焦点8附近,科学(XD相机9置于可水平方向移动的一维调节架上，先使科学CCD相机9在略微偏离焦点8中心的位置测量会聚焦斑。偏离程度以科学CCD相机9所测的焦斑，在大小上能明显体现焦斑的形状为准。初始阶段，科学CCD相机9感光面过于接近焦点8及过于偏离焦点8都不利于抛物面镜的准直。
[0026](6)粗调阶段:
[0027](6.1)首先调节电动调节平移台3的离轴角调节旋钮4，离轴抛物面镜7将绕自身中心轴旋转，使得成在科学CCD相机9上的焦斑形状为水平或垂直的扁平状光斑。此时，把科学CCD相机9移动到焦点8的前面和后面，要求焦点8前和后的焦斑要互相垂直，即:若焦前为水平扁平状光斑，则焦后应为垂直扁平状光斑，反之亦然。
[0028](6.2)调节电动调节平移台3的倾斜旋钮6，使得离焦位置的焦斑尽可能接近圆形。
[0029](6.3)前后移动科学CXD相机9，找到焦斑最小的位置，此位置为离轴抛物面镜7的焦点8处，利用科学CCD相机9观察焦斑的大小，并记录焦点8处焦斑尺寸。
[0030](7)精调阶段:
[0031](7.1)重复步骤6.1，使得焦前、焦后的扁平状光斑尽可能细长。重复步骤6.2，使得离焦位置的焦斑尽可能接近圆形，此时，会发现离焦位置的焦斑较前述的焦斑小。重复步骤6.3,记录焦点处焦斑尺寸。
[0032](7.2)多次重复步骤7.1，当利用科学CXD相机9记录的焦点处焦斑尺寸不再减小时，即观察到的焦斑为尽可能小且尽可能接近圆形的光斑时，调节结束。
[0033]应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
【权利要求】
1.一种基于高分辨科学CCD相机的离轴抛物面镜调节方法，其特征在于，该方法是利用高分辨科学CCD相机，通过实时测量激光系统出射光束经离轴抛物面镜会聚后的焦点附近焦斑形状，来监控调节离轴抛物面镜。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于: Al系统准备:将所述离轴抛物面镜(7)固定在电动调节平移台(3)上，电动调节平移台(3)包含离轴角调节旋钮(4)、俯仰旋钮(5)、倾斜旋钮(6)，离轴角调节旋钮(4)通过旋转离轴抛物面镜(7)可用于调节离轴抛物面镜(7)的离轴角，俯仰旋钮(5)用于调节离轴抛物面镜(7)的俯仰，倾斜旋钮(6)用于调节离轴抛物面镜(7)的左右倾斜；出射光束(2)经离轴抛物面镜(7)会聚后形成会聚的焦点(8)，焦点(8)被具有高分辨率的科学CCD相机(9)检测；所述科学CCD相机(9)固定在焦点(8)附近，科学CCD相机(9)置于可水平方向移动的一维调节架上，先使科学CCD相机(9)在略微偏离焦点(8)中心的位置测量会聚焦斑；偏离程度以科学CCD相机(9)所测的焦斑，在大小上能明显体现焦斑的形状为准；移动电动调节平移台(3)，尽量使出射光束(2)照在离轴抛物面镜(7)中央；在调节离轴抛物面镜⑵前，加载小孔光阑⑴以使出射光束⑵为细光束，水平方向大距离移动科学CCD相机(9)并观察细光束在科学CCD相机(9)上的成像点，然后调节离轴抛物面镜(7)的俯仰旋钮(5)，以使细光束在科学CXD相机(9)等高位置成像； A2粗调阶段: A21首先调节电动调节平移台(3)的离轴角调节旋钮(4)，离轴抛物面镜(7)将绕自身中心轴旋转，使得成在科学CCD相机(9)上的焦斑形状为水平或垂直的扁平状光斑；此时，把科学CCD相机(9)移动到焦点(8)的前面和后面，要求焦点(8)前和后的焦斑要互相垂直，即:若焦前为水平扁平状光斑，则焦后应为垂直扁平状光斑，反之亦然； A22调节电动调节平移台(3)的倾斜旋钮(6)，使得离焦位置的焦斑尽可能接近圆形；A23前后移动科学C⑶相机(9)，找到焦斑最小的位置，此位置为离轴抛物面镜(7)的焦点(8)处，利用科学CCD相机(9)观察焦斑的大小，并记录焦点(8)处焦斑尺寸； A3精调阶段: A31重复步骤A21，使得焦前、焦后的扁平状光斑尽可能细长；重复步骤A22，使得离焦位置的焦斑尽可能接近圆形，此时，会发现离焦位置的焦斑较前述的焦斑小；重复步骤A23,记录焦点处焦斑尺寸； A32多次重复步骤A31，当利用科学CCD相机(9)记录的焦点处焦斑尺寸不再减小时，即观察到的焦斑为尽可能小且尽可能接近圆形的光斑时，调节结束。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由于科学CCD相机不仅可对可见光感光，也可对红外及紫外等不可见波段的光感光，因此可用于各类输出波段高功率激光系统会聚抛物面镜的调节。
【文档编号】G02B7/198GK103487916SQ201310430995
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月23日 优先权日:2013年9月23日
【发明者】任志君, 董亮伟, 王雅靓, 徐卓器 申请人:浙江师范大学