一种基于拼接锁定和远场的超短脉冲激光相干合束方法与流程

本发明涉及一种超短脉冲激光相干合束方法，具体涉及一种基于拼接锁定和远场的超短脉冲激光相干合束方法。

背景技术：

高能、超短、超强激光在材料科学、强场物理等前沿科学领域有重要的应用价值，但是受到各种非线性效应及元件损伤等因素的限制，单路激光器的输出能力远远不能满足越来越高的应用需求，相干合束是提升系统输出能力的重要途径。

相干合束可以利用较少的激光束获得较高的聚焦功率密度，但影响相干合束效果的因素很多（如振动和光路失调、放大器热畸变、温度涨落、非线性效应等）。在大型激光装置中，整个光路链从前到后有上百个元件，任何一个元件的微小变化都可能影响相干合束的效果。针对25fs的激光脉冲，为了获得好的相干合束效果，脉冲间的相对延时需控制在5fs以内，位相差需控制在π/5以内。目前通用的一些技术如光电管和示波器、条纹相机等方法不能用于这类高精度误差的探测与控制。K. L. Baker等人提出了一种基于焦点附近光纤回传激光的干涉自适应方案（Interferometric adaptive optics testbed for laser pointing，wave-front control and phasing，OPTICS EXPRESS，17(19)，2009），但在焦点附近增加探测元件并不方便，不仅挤占了靶空间，也不便于实施，同时该方案不便于提高控制带宽。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于拼接锁定和远场相结合的超短脉冲激光相干合束方法。

本发明的基于拼接锁定和远场的超短脉冲激光相干合束方法，其特点是，所述方法包括以下内容：

高重频飞秒激光源产生的超短脉冲激光分束后，经误差补偿模块进行误差补偿后沿不同的光路链传输，经取样模块取样后进入聚焦模块，在聚焦模块的焦点处实现子光光束之间的相干增强叠加；

取样模块用于部分透射光光束的取样；

监测控制系统同时采集取样光束的光束之间谱干涉信号及远场信号，用以判断光束之间的相对误差；误差补偿模块对光束之间的相对误差进行补偿后，实现超短脉冲激光在焦点处的相干合束。

所述的高重频飞秒激光源的最低重复频率为系统所需控制的随机扰动源频率的8~10倍。

所述的取样模块及聚焦模块由数块光学玻璃元件拼接而成或直接利用整块光学玻璃元件，在对光束进行传输的同时不引入光束之间动态误差。

所述的监测控制系统采集的远场信号包含各子光束独立的远场信号和子光束之间合成的远场信号。

所述的各子光束独立的远场信号是对各子光束局部空间区域的光聚焦形成的与其它子光束相互独立的远场信号，用以反映和控制各子光束指向性的变化。

所述的子光束之间合成的远场信号是对相邻子光束的相邻区域局部取光后利用同一光学玻璃元件聚焦获得的相邻子光束的合成远场，用以反映和控制相邻子光束之间位相差的变化。

所述的监测控制系统采集的光束之间谱干涉信号和子光束之间合成的远场信号一起实现多扰动源或大扰动量情况下的光束之间同步探测。

所述的监测控制系统运行前根据焦点处的信号进行预先标定，确定运行过程中监测控制系统中的信号与焦点处信号的对应关系。

本发明的特点如下：

（1）监测控制系统利用取样模块获取的部分透射光进行光束之间相对误差的判断，保证了该方法可以在大型激光装置进行物理打靶的同时开展，能为物理打靶提供超强激光；

（2）由于大部分的激光光用于物理打靶，只有少量的透射光用于光束之间相对误差的判断，根据谱干涉信号和子光束之间合成的远场信号探测光束之间同步误差，降低了对光源的要求；

（3）取样模块和聚焦模块在对光束进行传输的同时不引入光束之间动态误差，保证了焦点处与监测控制系统处光束的状态存在对应关系，补偿监测控制系统处探测到的光束之间相对误差可实现激光脉冲在焦点处的相干合束。

（4）根据各子光束独立的远场信号探测各子光束指向性的变化以及子光束之间合成的远场信号探测光束之间位相差，利于提高控制带宽。

本发明充分考虑到大型激光装置与超短脉冲激光相干合束的特点，可用于大型激光装置中超短脉冲激光的相干合束，获取超强激光。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为探测各子光束独立的远场信号和子光束之间合成的远场信号的实施例；

图3为参与合束的光束数目为N+1的误差补偿模块实施例。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

以下实施例仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。有关技术领域的人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化、替换和变型，因此同等的技术方案也属于本发明的范畴。

如图1所示，本发明的基于拼接锁定和远场的超短脉冲激光相干合束方法通过以下内容实现：

所述方法包括以下内容：

高重频飞秒激光源1产生的超短脉冲激光分束后，经误差补偿模块2进行误差补偿后沿不同的光路链3传输，经取样模块4取样后进入聚焦模块6，在聚焦模块6的焦点处实现子光光束之间的相干增强叠加；

取样模块4用于部分透射光光束的取样；

监测控制系统5同时采集取样光束的光束之间谱干涉信号及远场信号，用以判断光束之间的相对误差；误差补偿模块2对光束之间的相对误差进行补偿后，实现超短脉冲激光在焦点处的相干合束。

所述的高重频飞秒激光源的最低重复频率为系统所需控制的随机扰动源频率的8~10倍。

所述的取样模块及聚焦模块由数块光学玻璃元件拼接而成或直接利用整块光学玻璃元件，在对光束进行传输的同时不引入光束之间动态误差。

所述的监测控制系统采集的远场信号包含各子光束独立的远场信号和子光束之间合成的远场信号。其中，各子光束独立的远场信号是对各子光束局部空间区域的光聚焦形成的与其它子光束相互独立的远场信号，用以反映和控制各子光束指向性的变化；子光束之间合成的远场信号是对相邻子光束的相邻区域局部取光后利用同一元件聚焦获得的相邻子光束的合成远场，用以反映和控制相邻子光束之间位相差的变化。

所述的监测控制系统采集的光束之间谱干涉信号和子光束之间合成的远场信号一起实现多扰动源或大扰动量情况下的光束之间同步探测。

所述的监测控制系统运行前需要根据焦点处的信号进行预先标定，确定运行过程中监测控制系统中的信号与焦点处信号的对应关系，从而保证补偿监测控制系统处探测到的光束之间相对误差可实现激光脉冲在焦点处的相干合束。

图2为探测各子光束独立的远场信号和子光束之间合成的远场信号的实施例。参与合束的光束1和光束2沿水平方向排布。利用光束1的局部空间区域S1的光聚焦得到的远场信号反映光束1的指向，利用光束2的局部空间区域S2的光聚焦得到的远场信号反映光束2的指向，利用光束1和光束2的相邻区域S12的光聚焦得到的远场信号反映光束1和光束2间的位相差。

误差补偿模块由多个结构相同的子单元组成，子单元个数为参与合成的光束数目减去1。图3为参与合束的光束数目为N+1的误差补偿模块实施例，其中子单元为C₁~C_N，总个数为N，每个子单元由4个反射镜组成。沿着光束传输的方向，前两个反射镜的镜面呈90°排列，如子单元C₁中的反射镜11和反射镜12，组成延时线，用于补偿光束之间同步误差；后两个反射镜，如子单元C₁中的反射镜13和反射镜14，用于补偿光束之间位相差，同时控制光束的指向，补偿光束之间指向误差。