专利名称：变焦距的行波泵浦方法
本方法属于应用光学和激光技术领域。
背景技术：
一九八六年由西德F.P.Schaefer教授提出行波泵浦方法用于X射线激光研究。这一行波泵浦是用同轴光锥作会聚元件，把紫外波段超短脉冲激光反射到一条纤维靶上，靶被激光照明后，产生高温高密度等离子体。这些等离子体正是X射线激光所需要的工作物质。同轴光锥的照明光路及其方法示于图1。(西德，F.P.Schaefer，“ON Some Pooperfies of Axicono”＜Appl.phy.B，39，1-8 86＞)紫外激光由右向左入射到同轴光锥后，外圆的光线经锥面反射到纤维靶的左端(远端)，走的光程最长，处于光束中心的光直达靶的右端(近端)，走的光程最短。走最短光程的光，首先作用于靶的近端，然后随激光波的传布，来自离开光束中心的光逐渐地作用于靶上。纤维靶从右端向左端被紫外激光辐照产生等离子体，并被泵浦到高能态。实现了等离子体被激光波的行进逐步泵浦的行波泵浦。这一行波泵浦解决了X射线激光研究中，用非球面即抛物面透镜(上海光机所，〈中国科学〉(A)26，P657，83，Investigatio of soft x-ray popution Inversion in Jaser Produced Plasma″柱面镜(法国P.Jaegle等，“X-ray Jaser reserch at palaeseau”〈Internation Colloquium on X-ray Jasers，86〉等作激光能量会聚元件所不能克服的，短脉冲激光泵浦同极短的受激态寿命和X光子传输的过程，在时间上难于匹配的问题，同时行波泵浦方法也免去了为获得X射线激光要耗费巨资去建立庞大的激光系统。
但是，由泵浦过程看出，圆锥照明的线状等离子体可能产生的X射线激光只能向着左端远离锥顶方向引出，而不能向着右端方向输出。这是因为圆锥顶本身的存在，而且也不能在线状等离子体的两端加入X射线的反射镜，构成激光振荡腔或X射线激光腔。同一原因，即使等离子体已波泵浦到极高的粒子粒反转能级，它也不能用作X射线激光放大器。
本发明的目的，为了克服上述所指出的存在问题，使焦线不与会聚元件相交，用线状等离子体作X射线激光振荡或放大的工作物质、有利于靶的研制和安装，提出变焦距的行波泵浦方法，并且，这一行波泵浦方法也可用于其它激光。
本发明由图2所示，包括泵浦源，会聚元件，用于产生激光工作物质的被泵浦材料以及作为激光振荡腔板的反射镜，其会聚元件是圆台面镜。
由泵浦源提供的平行激光光束，是垂直于作为会聚元件的圆台面镜的中心轴线而入射到圆台面镜曲面上、经圆台面镜作用，将平行光束会聚成一条焦线。此焦线与中心轴线之间有一小的夹角β，焦线的两端均可以安置与焦线垂直的反射镜;或者作为放大器的输入输出端。
圆台面镜的曲率半经是从Rmax(最大半经)到Rmin(最小半经)连续改变的，其焦距fz也是连续变化的。平行光束经圆台面镜会聚后，形成的光斑f1f2是线状的，称为焦线。
圆台面镜的焦距fz表达式为
fz＝[1/(n-1)][Rmax-Z(tgα)]……(1)(1)式中n为圆台面镜所用材料的折射系数，Rmax是圆台面镜的最大半经;Z是所要计算的点到圆台面镜最大半经Rmax圆端面的距离，α为圆台面镜母线与半经为Rmax圆端面之间的夹角。
圆台面镜的焦线f1f2的长度表达式为f1f2＝(Rmax-Rmin)/cos｛tg-1[H/(Rmax-Rmin)]｝……(2)(2)式中H为圆台面镜的高，Rmin为圆台面镜最小半经。
当光束的宽度h不等于圆台面镜的高H时，也就是说，当光束入射到圆台面镜上，光束不能充满圆台面镜时，光束经会聚后，获得的焦线f1f2其表达式为f1f2＝(r2-r1)/cos｛tg-1[h/(r2-r1)]｝……(3)(3)式中r2，r1分别为宽为h的平行光束入射到圆台面镜上，其边缘对应于圆台面镜Rmax，和Rmin的半经。
圆台面镜的焦线f1f2与圆台面镜的中心轴线之间的夹角β表达式为β＝ctg-1[(Rmax-Rmin)/H(n-1)]……(4)从式(1)至(4)，可以得出1).焦距是连续改变的;
2).聚焦后得到的焦斑是线状的，并与中心轴线有一小的夹角β。
3).虽然焦线与中心轴线有一夹角β，但焦线不与会聚元件相交。
上述圆台面镜可以是圆台面透镜，也可以是圆台面反射镜，参看图4。
本发明的优点1.本变焦距行波泵浦方法，焦线不与会聚元件相交，焦线两端均可以作输入输出端，或者置放反射镜。所以泵浦获得的高粒子数反转介质，既可作放大器的工作物质，也可作振荡器的工作物质，尤其是对于X射线激光器显得更为突出;
2.本方法可以泵浦的介质不仅仅是线状的，也可以是平面状的，被泵浦的介质可以精确安置在焦斑上，整个焦斑都不会离焦;
3.本发明的泵浦方法，焦斑f1f2容易调整，其长度能使光束脉冲宽度与激发态寿命在时间上匹配，而且折射效率高;
4.本发明可用于泵浦线状或平面状靶，因而减少了靶的研制和固定的困难。
图1，同轴光锥聚焦光路图。1平行光束;2带孔的同轴光锥;3焦线。
图2，变焦距行波泵浦方法示意图。2-a作为激光振荡器示意图;2-b作为放大器的示意图。4圆台面透镜;5靶;M1、M2激光腔板。
图3，圆台面镜变焦距原理示意图。3-a几何坐标;3-b y-z平面的剖面图。
图4，圆台面镜聚焦光路图。4-a为圆台面透镜;4-b为圆台面反射镜。
图5，变焦距泵浦的染料激光器。6泵浦源的平行光束;7染料槽;8染料激光。
实施例1泵浦源参数激光能量5焦耳;脉冲宽度为50微微秒;发散角为0.1毫弧度，行波在50PS(微微秒)内传输距离为1.5厘米。要得到1.3×1014W/cm2的功率，考虑到光束发散角的问题，焦距平均值应取5厘米，圆台面透镜参数则为当n＝1.53时，半径Rmax＝3.15cm，Rmin＝2.15cm;
焦距fmax＝5.94cm，fmin＝4.05cm;
因不同焦距对于发散角接近衍射极限的激光束，产生的焦斑相差极小。则在0.1mrd(毫弧度)时对应fmax与fmin引起焦斑差仅为0.9μm。
用上述泵浦条件获得每厘米为10的增益介质，在1.5厘米X射线激光放大器上可给出15倍的放大倍数。
实施例2圆台面透镜用于染料激光器。可以做成紧凑的变焦距行波泵浦的染料激光器，把圆台面镜与染料池粘合或加工成一体。圆台面透镜设计成最小半径rmin＝15mm，最大半径rmax＝25mm;所采用的材料n＝1.53时，则透镜的焦距fmin＝28.3mm，fmax＝47.1mm。
权利要求
1.一种属于应用光学和激光技术领域的变焦距的行波泵浦方法，包括泵浦源、会聚元件、激光工作物质和反射镜，其特征在于泵浦源提供的平行激光束垂直于作为会聚元件的圆台面镜的中心轴线入射于它的曲面上，会聚在靶上的焦线两端分别可置放反射镜，其圆台面镜的曲率半径从最大半径Rmax至最小半径Rmin连续改变，它的焦距fz也随其连续变化，表达式为fz=[1/(n-1)][Rmax-Z(tgα)]……………………………(1)圆台面镜的焦线f1f2的表达式为f1f2=(Rmax-Rmin)/cos{tg-1[H/(Rmax-Rmin)]}………(2)(1)式中n为圆台面镜所采用材料的折射系数，Z是所要计算的点到圆台面镜的半径为Rmax的圆端面的距离，(2)式中H为圆台面镜的高。
2.根据权利要求1所述的一种变焦距的行波泵浦方法，其特征在于圆台面镜是圆台面透镜或者是圆台面反射镜。
全文摘要
本发明属于应用光学和激光技术领域的一种变焦距的行波泵浦方法。采用圆台面镜作为激光会聚元件，泵浦源为超短脉冲的激光，可以泵浦线状的或平面的工作物质。平行的激光束垂直于圆台面镜的中心轴线入射于圆台面镜的曲面上，它的焦线两端均可作为输入输出端，或置放反射腔板。焦距随圆台面镜曲线半径的连续改变而连续变化。其焦线不会与圆台面镜相交，而且长度可以调整。本发明可用于激光振荡器或放大器，特别是用于X射线激光器，它的激光靶容易固定、便于支撑。还具有折射效率高的优点。
文档编号G02B7/04GK1049414SQ8910559
公开日1991年2月20日 申请日期1989年8月8日 优先权日1989年8月8日
发明者欧阳斌, 林礼煌, 沈桂荣 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所