专利名称：波长及角度匹配拼接光栅压缩器的监测与调整方法
技术领域：
本发明属于超短脉冲激光领域，具体涉及一种波长及角度匹配拼接光栅压缩器的监测与调整方法。
背景技术：
啁啾脉冲放大技术(CPA)的应用促进了高能短脉冲激光技术的不断发展，目前限制CPA激光系统输出能力的主要是压缩光栅的大小及其损伤阈值，由于目前所能获得的光栅口径非常有限，拼接光栅技术是人们解决大口径光栅问题的一个方向。一篇名为《用于高能啁啾脉冲放大激光的多光栅拼接相干叠加论述》的文章(Optics Letter，T.J.Kessler，J.Bunkenburg，H.Huang，A.Kozlov and D.D.Meyerhofer，29，635，2004)提出了用菲索(Fizeau)干涉仪及远场法进行光栅拼接及实时监测的方法，但是在该方法中并没考虑子光栅之间存在线密度差异时的情况，不能用监测光将拼接光栅完全调好，即主激光能够被聚焦至完整焦斑的状态，同时也不易进行实时监测。
发明内容
本发明的目的是提供一种波长及角度匹配拼接光栅压缩器的监测与调整方法。可以方便地对拼接光栅进行监测和调整。
本发明的监测与调整方法主要包括以下内容a、排布主激光光路。
主激光首先经过包含拼接光栅的平行光栅压缩器，聚焦后的远场分布由显微物镜放大，然后再由CCD相机采集。
b、根据主激光波长及其在拼接光栅上的入射角，依照关系式(1)、(2)、(3)、(4)选取监测光的波长及入射角cosθi1+cosθr1λ1=cosθi0+cosθr0λ0---(1)]]>sinθi1+sinθr1λ1=sinθi0+sinθr0λ0---(2)]]>sinθi1+sinθr1＝nλ1(3)sinθi0+sinθr0＝nλ0(4)
λ0，λ1分别为主激光和监测光的波长。θi0，θr0为主激光的入射角及衍射角，θi1，θr1为监测光的入射角及衍射角。n为光栅的线密度。
c、排布监测光路，组成实时监测系统。
监测光经一个半透半反镜反射后再经过两个高反镜，之后按前述步骤b选定的入射角打在拼接光栅的两块子光栅上，两块子光栅上各有一半光斑，监测光经拼接光栅后分为两支一支为0级衍射光，由一个高反镜将光原路返回，透过半透半反镜后由一个透镜聚焦，其远场分布图像经一个显微物镜放大后由CCD相机采集；另一支为1级衍射光，由一个高反镜将光反射至拼接光栅的一个子光栅上，其1级衍射光经两个高反镜后传至半透半反镜，反射后和上述0级光一样由同一个透镜聚焦，其远场分布也由同一个CCD相机采集。
d、利用监测光经拼接光栅后的零级光远场和一级光远场对拼接光栅进行精细调节。
精细调节时固定一个子光栅为参考光栅，调整第二个光栅的俯仰及水平旋转，使监测光零级焦斑成为一个完整焦斑。之后可以通过调整第二个光栅绕光栅法线及绕母线方向的旋转，使监测光经两子光栅后的一级光焦斑重合在一起，最后可调节缝宽或两子光栅之间的前后错位误差使一级光焦斑成为一个完整焦斑。此时主激光的一级光远场便成为一个完整单一的焦斑。
本发明主要通过选择监测光的波长及其在拼接光栅上的入射角，使监测光与主激光的焦斑形态随拼接误差变化一致，从而很方便地实现实时监测。
依照(1)(2)(3)(4)式选定监测光的波长及入射角。
光束经两子光栅后的位相差表达式为Δφz＝2π/λ[(sinθi+sinθr)Δx-(cosθi+cosθr)Δz] (5)Δφz为光束经两子光栅后的位相差，θi，θr为光束在拼接光栅上的入射角及衍射角，Δx、Δz分别为两子光栅之间的接缝宽度及前后错位误差。
根据(5)式可以知道，依据(1)、(2)、(3)、(4)式选定监测光的波长及入射、衍射角后，两子光栅之间的接缝宽度及前后错位误差对主激光经两子光栅后的位相差以及监测光经两子光栅后的位相差影响是一致的。
另外，由(1)(2)式可以看到，线密度差异的有无及大小并不影响主激光焦斑与监测光焦斑形态变化的一致性。
本发明不仅适用于子光栅之间线密度存在微小差异的情况，同时也适用于无线密度误差时拼接光栅的监测与调整。本发明能以一种简单易行的方式将拼接光栅调至较好状态，并获得接近衍射极限的焦斑。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1为本发明实施例的监测及调整装置光路结构示意2(a)(b)(c)(d)分别为主激光和监测光远场分布一致变化情况对照图具体实施方式
本发明通过建立一套监测与调整系统，并选择监测光的波长及其在拼接光栅上的入射角可以对拼接光栅进行精密调整并实现实时监测。
本发明实施例的监测及调整装置光路结构示意图见图1，光栅1、光栅2是一对平行光栅对，组成一个单程光脉冲压缩器，其中光栅2由两块子光栅(3，4)拼接而成，主激光由光栅(1，2)压缩后再经透镜5聚焦，其远场分布经显微物镜6成像放大后由CCD相机7采集。
本实施例中光栅线密度为1700线/毫米，主激光波长为1053nm，入射角及衍射角分别为67.0度和60.4度。满足公式(1)(2)的监测光波长及入射角有很多，实际中由光源的可获得性及导光的便利来确定。本实施例中使用的监测光波长为998.8nm，入射角为44.5度。监测光路中除拼接光栅2以外还包括以下光学元件半透半反镜8、高反镜(9，10，11，12，13，14)、透镜15、显微物镜16以及CCD相机17。
监测光0级衍射光走过的路线为半透半反镜8-高反镜9-高反镜10-拼接光栅2-高反镜11-2拼接光栅-高反镜10-高反镜9-半透半反镜8-透镜15-显微物镜16-CCD相机17(0级光)。
1级衍射光走过的路线为半透半反镜8-高反镜9-高反镜10-拼接光栅2-高反镜12-光栅3-高反镜13-高反镜14-透镜15-显微物镜16-CCD相机17(1级光)。
光束经过拼接光栅2表示光束各有一半打在两块子光栅(3，4)上。
零级光和一级光的焦斑同时由CCD相机17采集。可以适当调节高反镜11或高反镜12的俯仰角，使0级和1级光焦斑在CCD1上分开一定的距离，以便于观察。可以先调整子光栅4的俯仰及水平旋转，使监测光0级焦斑成为一个完整焦斑，之后可以通过调整子光栅4绕光栅法线及绕母线方向的旋转使两个一级光远场焦斑重合，调节缝宽或两子光栅之间的前后错位误差可以使监测光的1级光焦斑成为一个单一完整焦斑，此时主激光的焦斑也会成为一个完整单一的焦斑。由图2可以看到在这种状态下主激光和监测光的焦斑形态随子光栅之间的拼接误差变化一致。当主激光焦斑是整焦斑时一图2(a)，监测光焦斑也为整焦斑一图2(b)，而当主激光焦斑为分裂焦斑时一图2(c)，监测光焦斑也为分裂焦斑一图2(d)。
上述实施例中的压缩器为双光栅单程压缩器，该方法同样也适用于双光栅双程或四光栅双程压缩器中拼接光栅的监测及调整，拼接光栅可以由两块或两块以上的子光栅构成。
综上所述，本发明所述的方法是一种简单有效的拼接光栅压缩器监测与调整方法。
权利要求
1.一种波长及角度匹配拼接光栅压缩器的监测与调整方法，包括以下内容a、排布主激光光路；主激光首先经过包含拼接光栅的平行光栅压缩器，聚焦后的远场分布由显微物镜放大，然后再由CCD相机采集；b、根据主激光波长及其在拼接光栅上的入射角，依照关系式(1)、(2)、(3)、(4)选取监测光的波长及入射角cosθi1+cosθr1λ1=cosθi0+cosθr0λ0---(1)]]>sinθi1+sinθr1λ1=sinθi0+sinθr0λ0---(2)]]>sinθi1+sinθr1＝nλ1(3)sinθi0+sinθr0＝nλ0(4)λ0，λ1分别为主激光和监测光的波长；θi0，θr0为主激光的入射角及衍射角，θi1，θr1为监测光的入射角及衍射角；n为光栅的线密度；c、排布监测光路，组成实时监测系统；监测光经一个半透半反镜反射后再经过两个高反镜，之后按前述步骤b选定的入射角打在拼接光栅的两块子光栅上，两块子光栅上各有一半光斑，监测光经拼接光栅后分为两支一支为0级衍射光，由一个高反镜将光原路返回，透过半透半反镜后由一个透镜聚焦，其远场分布图像经一个显微物镜放大后由CCD相机采集；另一支为1级衍射光，由一个高反镜将光反射至拼接光栅的一个子光栅上，其1级衍射光经两个高反镜后传至半透半反镜，反射后和上述0级光一样由同一个透镜聚焦，其远场分布也由同一个CCD相机采集；d、利用步骤c中监测光的零级光远场和一级光远场对拼接光栅进行精细调节，最终使监测光和主激光的一级光远场均成为完整单一的焦斑。
全文摘要
本发明涉及一种波长及角度匹配拼接光栅压缩器监测与调整方法。通过选择监测光的波长及其在拼接光栅上的入射角使拼接误差对主激光与监测光的远场影响一致，能以一种简单易行的方式将拼接光栅调至较好状态，并获得近衍射极限的焦斑。不仅适用于子光栅之间存在线密度差异的情况，同时也适用于子光栅之间无线密度差异时拼接光栅的监测与调整。
文档编号G02B21/32GK1959465SQ20061002200
公开日2007年5月9日 申请日期2006年9月30日 优先权日2006年9月30日
发明者王逍, 朱启华, 左言磊, 林东晖, 王方, 蒋东镔, 黄征, 任瑞, 魏晓峰 申请人:中国工程物理研究院激光聚变研究中心