一种用于高功率终端光学系统的杂散光管控系统和方法与流程

本发明属于高功率激光装置光学系统领域，具体涉及一种基于优化的终端光学系统和杂散光管理器件参数实现高功率终端光学系统的杂散光管控系统和方法。

背景技术：

终端光学系统(finalopticsassembly,foa)是高功率激光装置的核心子系统，由多块透射式光学元件组成，包括：晶体、楔形透镜、真空窗口、屏蔽片，起着谐波转换、谐波分离、测量取样、光束聚焦等重要功能。当高功率激光通过foa上的透射式光学元件上时，元件的每个表面均具有残余反射，若残余反射光在终端光学元件、元件边框或金属筒壁上的通量过强时，会对光学元件造成损伤，对终端系统产生污染。因此，避免杂散光对光学元件的破坏以及合理对杂散光进行管控，成为高功率激光装置foa的一个重要问题。

美国国家点火装置(nationalignitionfacility,nif)foa包含192路，可产生1.8mj(3.5ns，500tw功率)351nm的激光输出，共有1344块光学元件，杂散光分布复杂。自1994年nif完成了其概念设计后，经过集成验证，最终于2007年完成定型，但直到2017年5月，仍然报道发现有因为杂散光导致的终端污染以及光学元件损伤。国内神光系列装置foa的设计也经历了集成验证和设计更改的过程。2008年神光ii升级装置针对鬼像对光学元件的破坏，对foa进行了优化设计。

目前，高功率终端光学系统的杂散光管控多采用优化楔形透镜后元件的角度和间距，使得其反射的一阶杂散光偏离出主光路，并在偏离出主光路位置加入一个吸收玻璃等器件来吸收的方法，用于吸收管理杂散光(乔战峰,卢兴强，赵东峰，朱宝强.神光ii升级装置终端光学组件的排布设计.中国激光，2008，9(35):1328～1332)。但在高功率终端光学系统中，由于高功率杂散光经楔形透镜聚焦，在偏离出主光路处的杂散光通量过高，吸收玻璃会被高通量杂散光损伤，对终端光学系统产生污染。与此同时，还有部分杂散光会打到楔形透镜边框，对终端结构件进行辐照，产生污染。因此，传统的杂散光管控方法失效，使上述现有技术中的杂散光管控方法的应用范围受到限制。

技术实现要素：

本发明的发明目的在于：为了克服现有杂散光管控方法无法用于高功率终端光学系统的不足，本发明提供一种用于高功率终端光学系统的杂散光管控系统和方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种用于高功率终端光学系统的杂散光管控系统，所述系统包括沿光路方向上依次放置的晶体(5)、楔形透镜(2)、光学平板元件和吸收体盒(1)，光源依次经过晶体(5)、楔形透镜(2)后到达光学平板元件并被光学平板元件反射，其中部分反射光线未经过楔形透镜(2)会聚形成低通量杂散光直接并到达吸收体盒(1)，部分反射光线经过楔形透镜(2)会聚后形成高通量杂散光到达吸收体盒(1)；所述高通量杂散光和低通量杂散光入射到吸收体盒(1)内并被吸收体盒(1)吸收处理。

进一步的，所述光学平板元件至少包括真空窗口(3)和屏蔽片(4)，所述真空窗口(3)和屏蔽片(4)在楔形透镜(2)后按一倾斜角度平行放置，且所述真空窗口(3)和屏蔽片(4)与楔形透镜(2)之间相隔一定间距。

进一步的，所述吸收体盒(1)利用同一个吸收盒同时吸收处理不经过楔形透镜(2)会聚的杂散光和经过楔形透镜会聚(2)的杂散光；所述吸收体盒(1)包括盒体(11)、石英玻璃(12)和第一吸收玻璃(13)、第二吸收玻璃(14)，盒体(11)内放置有石英玻璃(12)和第一吸收玻璃(13)，所述石英玻璃(12)和第一吸收玻璃(13)平行叠放在盒体内并在盒体内部形成密闭空间，叠放后的石英玻璃(12)和第一吸收玻璃(13)之间有一定间距、且石英玻璃(12)和第一吸收玻璃(13)与盒体内部的竖直面呈一定角度；盒体(11)的上方为第二吸收玻璃(14)，盒体(11)的一面为未封闭的开口，用于待吸收的杂散光从开口进入吸收体盒(1)内。

进一步的，所述楔形透镜(2)为一种改进的楔形透镜，包括楔形透镜镜体(21)、透镜镂空部(22)和透镜夹(23)，透镜镂空部(22)是通过将楔形透镜镜体(21)的薄边做漏空处理得到的，所述透镜夹(23)采用对楔形透镜镜体(21)进行三边夹持的方式，使杂散光漏过去后不打到楔形透镜(2)的结构件上。

进一步的，通过所述石英玻璃(12)和第一吸收玻璃(13)、第二吸收玻璃(14)构成的吸收体盒(1)与改进的楔形透镜(2)、真空窗口(3)的相互关联配合，通过反复的反射和吸收密封住高通量辐照下的吸收玻璃，使杂散光不漏出吸收体盒(1)：

高通量杂散光到达吸收体盒(1)后被石英玻璃(12)分成两部分，大部分高通量杂散光被石英玻璃(12)透射后被位于石英玻璃(12)后、且角度与石英玻璃(12)一致的第一吸收玻璃(13)吸收；第一吸收玻璃(13)将未完全吸收杂散光的反射出去后被石英玻璃(12)透射后，再被第二吸收玻璃(14)吸收；剩余小部分高通量杂散光被石英玻璃(12)反射后被位于石英玻璃(12)上方的第二吸收玻璃(14)吸收；若第二吸收玻璃(14)未完全吸收杂散光，将未吸收的杂散光反射出去，则会被石英玻璃(12)再次透射后，再被第一吸收玻璃(13)吸收；

低通量杂散光直接被第二吸收玻璃(14)吸收，若第二吸收玻璃(14)未完全吸收杂散光，将未吸收的将杂散光反射出去，被石英玻璃(12)透射后，再被第一吸收玻璃(13)吸收。

另一方面本发明还提供了一种基于前述任一用于高功率终端光学系统的杂散光管控系统进行杂散光管控的方法，所述方法包括以下步骤：

s1，构建终端光学系统的杂散光管控系统，在沿光路方向上依次放置晶体(5)、楔形透镜(2)、光学平板元件和吸收体盒(1)，使光源依次经过晶体(5)、楔形透镜(2)后到达光学平板元件并被光学平板元件反射，被光学平板元件反射后的杂散光进入吸收体盒(1)；

s2，基于光学平板元件的倾斜角度及光学平板元件与楔形透镜(2)间距的优化模型计算杂散光管控系统中的相应设置参数；

s3，调整杂散光管控系统中各部件的设置参数，使部分反射光线未经过楔形透镜(2)会聚形成低通量杂散光直接并进入吸收体盒(1)，部分反射光线经过楔形透镜(2)会聚后成为高通量杂散光进入吸收体盒(1)，且所述高通量杂散光和低通量杂散光入射到吸收体盒(1)后并被吸收体盒(1)吸收处理。

进一步的，所述步骤s2中的优化模型具体为：

一阶杂散光(31)在楔形透镜上的横移量为：

其中，θ表示光学平板元件的倾斜角度，d表示楔形透镜(2)后的光学平板元件与楔形透镜(2)的间距，f表示楔形透镜(2)的焦距，d表示终端光学系统的通光口径；

则一阶杂散光在横移出通光区的口径，即吸收体盒(1)处的杂散光光束口径为：

由公式(1)可知：为了减小一阶杂散光在楔形透镜(2)上的横移量，需要减小光学元件的倾斜角度θ，减小元件间距d。

进一步的，所述光学平板元件至少包括真空窗口(3)和屏蔽片(4)，所述真空窗口(3)和屏蔽片(4)在楔形透镜(2)后按一倾斜角度θ平行放置，且所述真空窗口(3)和屏蔽片(4)与楔形透镜(2)之间相隔一定间距d，在设置参数时选择合适的倾斜角度θ和元件间距d，保证杂散光通量可接受，同时横移量相对较小，杂散光管控系统结构可实现。

进一步的，还包括调整所述吸收体盒(1)相关的设置参数，包括：

所述石英玻璃(12)和第一吸收玻璃(13)平行叠放在吸收体盒(1)的盒体内并在盒体内部形成密闭空间，叠放后的石英玻璃(12)和第一吸收玻璃(13)之间有一定间距、且石英玻璃(12)和第一吸收玻璃(13)与盒体内部的竖直面呈一定角度，调整石英玻璃(12)和第一吸收玻璃(13)之间的间距、石英玻璃(12)和第一吸收玻璃(13)与竖直面的角度。

进一步的，调整所述吸收体盒(1)的设置参数使得通过所述石英玻璃(12)和第一吸收玻璃(13)、第二吸收玻璃(14)构成的吸收体盒(1)与改进的楔形透镜(2)、真空窗口(3)的相互关联配合，通过反复的反射和吸收密封住高通量辐照下的吸收玻璃，使杂散光不漏出吸收体盒(1)。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明提供的用于高功率终端光学系统的杂散光管控系统和方法，对楔形透镜进行改进，通过将楔形透镜薄边漏空、三边夹持的方式保证杂散光漏过去，不打到楔形透镜的结构件上，不会损伤楔形透镜，不对终端光学系统产生污染。

2、本发明提供的用于高功率终端光学系统的杂散光管控系统和方法，能将光学平板元件真空窗口、屏蔽片倾斜角度增大调整，保证经过楔形透镜会聚的杂散光偏离出主光路的光束口径增大，降低杂散光通量，降低杂散光管理难度。

3、本发明提供的用于高功率终端光学系统的杂散光管控系统和方法，利用同一个吸收盒吸收处理不经过楔形透镜会聚的杂散光和经过楔形透镜会聚的杂散光，吸收体盒采用石英玻璃加吸收玻璃的模式，通过反复的反射和吸收保证密封住高通量辐照下的吸收玻璃，使得高通量杂散光导致的吸收玻璃损伤不会对终端光学系统产生污染；优化吸收体盒中石英玻璃和吸收玻璃的角度和间距，设计出一个光学陷阱，保证杂散光不会漏出吸收体盒。

4、本发明提供的用于高功率终端光学系统的杂散光管控系统和方法，通过将楔形透镜薄边漏空，三边夹持，以及石英玻璃和吸收玻璃结合设计成吸收体盒的方式，将不通过楔形透镜会聚的低通量杂散光和通过楔形透镜会聚的高通量杂散光进行管控，该方案简单易行，设计巧妙，特别适用于高功率终端光学系统的杂散光管控。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明实施例提供的杂散光管控系统示意图。

图2是本发明实施例提供的楔形透镜漏空设计结构示意图。

图3是本发明实施例提供的元件间距和角度的优化模型图。

图4是本发明实施例提供的杂散光光束口径与元件倾斜角度及间距关系图。

图中：1-吸收体盒，2-楔形透镜，3-真空窗口，4-屏蔽片，5-晶体，11-盒体、12-石英玻璃，13-第一吸收玻璃，14-第二吸收玻璃，21-楔形透镜镜体、22-透镜镂空部，23-透镜夹，31-一阶杂散光，t-焦平面。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例为一种杂散光吸收体盒(1)，是利用同一个吸收盒吸收处理不经过楔形透镜会聚的杂散光和经过楔形透镜会聚的杂散光；所述吸收体盒包括盒体(11)、石英玻璃(12)和第一吸收玻璃(13)、第二吸收玻璃(14)，盒体(11)内放置有石英玻璃(12)和第一吸收玻璃(13)，所述石英玻璃(12)和第一吸收玻璃(13)平行叠放在盒体内并在盒体内部形成密闭空间，叠放后的石英玻璃(12)和第一吸收玻璃(13)之间有一定间距、且石英玻璃(12)和第一吸收玻璃(13)与盒体内部的竖直面呈一定角度；盒体(11)的上方为第二吸收玻璃(14)，盒体(11)的一面为未封闭的开口，用于待吸收的杂散光从开口进入吸收体盒。

当杂散光进入吸收体盒中，设计吸收体盒中石英玻璃和吸收玻璃的角度和间距，使得吸收体盒成为一个光学陷阱进行反复的杂散光反射和吸收，既保证杂散光不漏出吸收体盒，同时保证高通量杂散光打到吸收玻璃上，产生的粉尘被密封在吸收体盒中，不污染终端系统。

实施例2

如图2所示为一种改进的楔形透镜(2)，包括楔形透镜镜体(21)、透镜镂空部(22)和透镜夹(23)，透镜镂空部(22)是通过将楔形透镜镜体(21)的薄边做漏空处理得到的，所述透镜夹(23)采用对楔形透镜镜体(21)进行三边夹持的方式，保证在杂散光漏过去后不打到楔形透镜的结构件上，且不对终端光学系统产生污染。

实施例3

实施例3为一种用于高功率终端光学系统的杂散光管控系统，如图1所示，该系统包括沿光路方向上依次放置的晶体5、楔形透镜2、真空窗口3、屏蔽片4和吸收体盒1组成；光源依次经过晶体5、楔形透镜2、真空窗口3和屏蔽片4后被真空窗口3和屏蔽片4反射；其中，部分反射光线经过楔形透镜2会聚后成为高通量杂散光，部分反射光线不经过楔形透镜2会聚后成为低通量杂散光，所述高通量杂散光和低通量杂散光入射到吸收体盒1并被吸收体盒1吸收处理。

由于经过楔形透镜会聚的高通量杂散光若直接采用吸收玻璃吸收，通量过高，会损伤吸收玻璃，损伤后产生的粉尘将污染终端光学系统，因此吸收体盒1被设计成将石英玻璃12和吸收玻璃13-14进行组合的方式将高通量杂散光进行吸收处理。以图2中被真空窗口3进行杂散光反射吸收为例进行进一步的详细说明，光线经过楔形透镜2后到达真空窗口3后被真空窗口3反射，部分反射光线经过楔形透镜2会聚后成为高通量杂散光。高通量杂散光到达吸收体盒1后被石英玻璃12分成两部分，大部分高通量杂散光被石英玻璃12透射，然后被位于石英玻璃12后、且角度与石英玻璃12一致的第一吸收玻璃13吸收，此时高通量激光对第一吸收玻璃13损伤后产生的粉尘被石英玻璃12密封在吸收体盒1中，而石英玻璃12损伤阈值高，不会产生损伤和粉尘，以此保证终端系统的洁净状态；第一吸收玻璃13将未完全吸收杂散光的反射出去，则会被石英玻璃12透射后，再被第二吸收玻璃14吸收，如图2中的光线箭头方向所示。同时，经过楔形透镜2会聚的剩余小部分杂散光被石英玻璃12反射后被位于石英玻璃上方的第二吸收玻璃14吸收，如图4中光线箭头方向所示。若第二吸收玻璃14未完全吸收杂散光，将未吸收的将杂散光反射出去，则会被石英玻璃再次透射后，再被第一吸收玻璃13吸收，如图2中的光线箭头方向所示。

另一方面，未经过楔形透镜2会聚的低通量杂散光则直接被第二吸收玻璃14吸收，如图4中的光线箭头所示。若第二吸收玻璃14未完全吸收杂散光，将未吸收的杂散光反射出去，会被石英玻璃12透射后，再被第一吸收玻璃13吸收。

如此反复后，通过所述石英玻璃(12)和第一吸收玻璃13、第二吸收玻璃14构成的吸收体盒1与改进的楔形透镜2、真空窗口3的相互关联配合，既能够保证密封住高通量辐照下的吸收玻璃，使得高通量杂散光导致的吸收玻璃损伤不会对终端光学系统产生污染；同时优化吸收体盒1中的石英玻璃和吸收玻璃的角度和间距，设计出相应的光学陷阱，保证杂散光不会漏出吸收体盒。

值得说明的是，屏蔽片4位于真空窗口3后，其反射的杂散光管理方法与真空窗口3一致，因此，图2中没有特意标注屏蔽片反射的杂散光管理方法。

在一个实施例中可以将真空窗口3、屏蔽片4的倾斜角度增大，保证经过楔形透镜2会聚的杂散光偏离出主光路的光束口径增大，从而降低杂散光通量，降低杂散光管理难度。

实施例4

在前述实施例中对一种用于高功率终端光学系统的杂散光管控系统的构成进行了描述，其中系统的各部件之间需要按照一定的参数进行设置，从而设计出相应的光学陷阱对杂散光进行更好的吸收。相应的本实施例对利用该系统对杂散光进行管控的方法进行详细描述，该方法包括以下步骤：

步骤s1，首先如图3所示，构建楔形透镜2后的光学平板元件(真空窗口3和屏蔽片4)的倾斜角度及其与楔形透镜2间间距的优化设计模型，t表示焦平面所在位置，则一阶杂散光31在楔形透镜上的横移量为：

其中，θ表示真空窗口3或屏蔽片4的倾斜角度，d表示真空窗口3或屏蔽片4与楔形透镜2的间距，f表示楔形透镜2的焦距，d表示终端光学系统的通光口径。

则一阶杂散光在横移出通光区的口径，即吸收体盒1处的杂散光光束口径为：

由于元件间距增大时元件本身通量增大，因此间距d在实际选取过程中不宜过大。由公式(2)可知：吸收玻璃尺寸表达式太过繁琐，设定元件到聚焦透镜间距分别为100mm、300mm、500mm、700mm、900mm时，针对不同倾斜角度得到吸收体盒1处的杂散光光束口径值如图4所示，其中不同类型的曲线代表不同的间距。由图4可知：为了增大吸收体盒1处的光束口径，降低吸收体盒1处的光通量，需要增大光学元件的倾斜角度，增大元件间距，且倾斜角度敏感，元件间距不太敏感。而由公式(1)可知：为了减小一阶杂散光在楔形透镜2上的横移量，需要减小光学元件的倾斜角度，减小元件间距。因此，在设计时，要平衡优化倾斜角度和元件间距，保证杂散光通量可接受，同时横移量相对较小，结构可实现。

此外，本实施例还包括调整所述吸收体盒(1)相关的设置参数，包括：

所述石英玻璃(12)和第一吸收玻璃(13)平行叠放在吸收体盒(1)的盒体内并在盒体内部形成密闭空间，叠放后的石英玻璃(12)和第一吸收玻璃(13)之间有一定间距、且石英玻璃(12)和第一吸收玻璃(13)与盒体内部的竖直面呈一定角度，因此还需要调整石英玻璃(12)和第一吸收玻璃(13)之间的间距、石英玻璃(12)和第一吸收玻璃(13)与竖直面的角度、吸收体盒(1)的开口在光学系统中的摆放位置等相关参数。当杂散光进入吸收体盒中，石英玻璃和吸收玻璃的角度和间距被调整好后，使得吸收体盒成为一个光学陷阱进行反复的杂散光反射和吸收，既保证杂散光不漏出吸收体盒，同时保证高通量杂散光打到吸收玻璃上，产生的粉尘被密封在吸收体盒中，不污染终端系统。

进一步的，调整所述吸收体盒(1)的所述相关设置参数使得通过所述石英玻璃(12)和第一吸收玻璃(13)、第二吸收玻璃(14)构成的吸收体盒(1)与改进的楔形透镜(2)、真空窗口(3)的相互关联配合，通过反复的反射和吸收密封住高通量辐照下的吸收玻璃，使杂散光不漏出吸收体盒(1)。

本发明的杂散光管控方案包括杂散光管控系统和基于管控系统进行杂散光管控的方法，系统设置简单易行，设计巧妙，具有很强的可调整性，特别适用于高功率终端光学系统的杂散光管控。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。