专利名称：焦线长度连续可调的均匀线聚焦光学系统的制作方法
技术领域：
本发明是一种焦线长度连续可调的均匀线聚焦光学系统。主要用于高功率激光打靶实验或需要高功率光束线聚焦工作中。
在X光激光研究中，通常需要将入射的高功率激光束汇聚成一条焦线辐照X光激光靶，以获得X光激光输出。在实验研究中，该焦线应该满足1)高纵横比，长度为cm量级，宽度尽可能小，一般为几十至百微米量级，以获得高的辐照功率密度;2)沿焦线长度方向光强分布应尽可能均匀，以便对靶面进行均匀照明;3)激光焦线长度方向与被汇聚的入射激光束应尽可能地垂直，以提高X光激光靶对泵浦光的耦合效率;4)焦线长度可在原位置上沿两端对称连续地伸长或缩短，以满足物理实验的各种需要;5)高的能量利用率。
目前高功率激光线聚焦光学系统很多，但主要有1)美国劳伦斯·利弗莫尔实验室(LLNL)的非球面透镜与单柱面(或两相对旋转柱面)透镜系统(L.G.Sappala，LaserProgramReport(LLNL)1984，2-47～52.);2)英国卢瑟福实验室(RAL)的非球面透镜与离轴球面反射镜系统(I.N.Rossetal，J.Phys.EScience.Instrument，18(1)，169，1985;I.N.Rossetal，Appl.Opt.，26(9)，1585，1987)以及3)中科院上海光机所的非球面透镜与列阵柱面透镜系统(陈万年，王树森等，光学学报，11(9)，829，1991)等。
LLNL和RAL所用的系统都能产生高纵横比的，长度连续可调的焦线。但这两种方法所产生的焦线上的每一点的光强都是入射光束沿截面上垂直于焦线方向的相应线元的光强的积分。对于一束圆形的泵浦光束(一般情况下如此)，焦线长度方向的光强分布必然是中间最强，两边逐渐减弱至零，即光强分布是很不均匀的。尽管可以根据激光束强度分布设计特定的光阑，譬如对于截面上强度分布均匀的入射光束可采用矩形光阑以获得光强分布均匀的焦线。但是这样一来，入射光束的36%以上的能量就被挡掉了。而且，对于任何大型激光系统，其输出光束的光强分布都不可能是均匀的或是有规则分布的，因此即使加上光阑，仍然得不到光强分布均匀的焦线。上述已有技术3)中科院上海光机所采用的系统，将入射光束分成若干束子光束，每束子光束独自产生一条长度相同的焦线，这些焦线完全叠加在一起，相互补偿平均，从而获得一条光强分布很均匀的高纵横比的焦线，并降低了对入射光束质量的要求。从几何光学角度看，设入射光束为均幅平面波，若将焦线上光强分布的不均匀性定义为η＝(Imax-Imin)/(Imax+Imin) (1)则当列阵元数为二时，η约27%，列阵元数为三时，η约14%，列阵元数为四时，η约9%，当列阵元数多于六时，η小于5%。该系统的能量损失主要来自各列阵元的连接处，而此处挡光面很小，加上透镜介面反射和介质吸收，总能量利用率可达95%以上。由多光束干涉产生的条纹很细密，可以通过等离子体中电子的热传导效应自行消除。但该系统的缺点是每个列阵系统仅能产生一条长度为L＝dfa/fc(2)的焦线，其中d是列阵柱面透镜元的宽度，fa为非球面透镜的焦距，fc是列阵柱面透镜元的焦距。因为d、fa和fc都是不变量，焦线长度是不可调的。而研究实验中常需改变焦线长度。为此，必须为各种所需焦线长度设计制造多套这种系统，其代价是高昂的，而且变换起来是很不方便的。更重要的是，实验和衍射理论分析表明，实际情况是，由于列阵元边缘造成的衍射效应，焦线上特别是靠近焦线的两端处有明显的强度起伏，而且这种起伏不能通过增加列阵数来抹平。从图4可见，当列阵元数为4时，由于衍射造成的非均匀性可高达25%，远高于前述几何光学预言的9%。
在其它应用领域，也有一些均匀照明光学系统，较有代表性的4)是一个用于半导体工艺方面的“光束积分系统”(Fahlen，Theodore.S et al，EUROPEANT PATENT 0 232 037 A2，1987)。这是一个结构复杂的系统，它由两组正交列阵柱面透镜对和一个汇聚透镜组成，每组正交柱面透镜对又由两个母线方向相互垂直的柱面透镜组成。将上述元件装在特定的调整机构上，使得两组正交柱面透镜对之间的距离及每组正交柱面透镜对中两柱面透镜之间的距离可调，则当调节两组柱面透镜对之间的距离和每组柱面透镜对中两列阵柱面透镜之间的距离时，在工作平面(汇聚透镜的后焦面)上就能获得照明区域的大小尺寸和纵横比连续可调的均匀照明区。然而，由于其应用目的不同，它要求将功率较低的光束均匀照明尺寸很大的(9-400mm2)工作区域，而且该系统由五个光学元件组成，光路中有光束汇聚点，因此它不可能在X射线激光实验中入射功率高达1012W/cm2量级的条件下应用。该系统的两组正交柱面透镜对也会引起一些难以消除的较大的象差，因此实际上也不可能产生一条线宽只有几十至一百微米的高纵横比的焦线。而且，和前述的列阵柱面透镜系统一样，不能免除衍射所造成的不均匀性。
综上所述，目前世界上各大实验室在X光激光实验中所用的线聚焦系统，主要存在的缺点或是光强分布不均，即照明均匀性不好，入射光能损耗大即能量利用率低，或所得焦线长度不可调。而象“光束积分系统”等系统，由于其应用目的和使用条件大不相同，不能应用于X光激光研究实验。总之，目前尚无能够同时满足前述所有要求的均匀线聚焦光学系统。
本发明的目的是采用一种特殊的可变焦的列阵柱面透镜光学系统，克服上述各系统的缺点，能在有效利用入射光束能量的情况下获得光强分布高度均匀、高纵横比的焦线，同时能使焦线长度连续可调，且焦线的位置、泵浦光入射角等保持不变，并能克服衍射造成的照明不均匀性。
图1为本发明的焦线长度连续可调的均匀线聚焦光学系统的结构示意图。其中①可移动列阵柱面透镜1的平均焦距为F1，②固定列阵柱面透镜2的平均焦距为F2，③非球面透镜3的焦距为fa。
图2可移动或固定列阵柱面透镜1或2结构示意图。4为正视图;5为侧视图是对应于Fi＞0的情况，6为顶视图是对应于Fi＜0的情况，其中i＝1，2。
图3使列阵元9的光轴8与机械轴7偏离的示意图。其中δik为光轴8与机械轴7的偏离量，θik为中心光线经过此列阵元后传输方向偏转角，fik为列阵元的焦点(其中i＝1，2，k＝1，2，…，n)。
图4为已有技术3非球面透镜与列阵柱面透镜系统的情况，考虑衍射效应所得的焦线长度方向上的光强分布。计算条件n＝4，fc＝4687.5mm，fa＝750mm，L＝10mm。
图5在图4条件下使列阵中的中间两列阵元焦距分别变化±12.5mm，考虑衍射效应所得的焦线长度方向上的光强分布。
图6在图4条件下使列阵中的中间两个列阵元的光轴8与机械轴7分别偏离δc2＝0.78mm，δc3＝-0.78mm，考虑衍射效应所得的焦线长度方向上的光强分布。
本发明焦线长度可调的均匀线聚焦系统的结构和工作原理如图1所示，它由一个可移动列阵柱面透镜1、一个固定列阵柱面透镜2和一个非球面透镜3所构成。可移动列阵柱面透镜1和固定列阵柱面透镜2如图2所示，分别由n块长条形的柱面透镜列阵元沿平行于柱面轴线的母线方向平行、紧密排列而构成，所有的列阵元具有相同的宽度并有d＝D/n(3)其中D为入射激光束口径。n≥2，为列阵元数。可移动列阵柱面透镜1的n个列阵元的焦距分别为f11，f12，……，f1n，它们的平均焦距为F1，固定列阵柱面透镜2的列阵元的焦距分别为f21，f22，……，f2n，它们的平均焦距为F2。并满足fi1≠fi2≠……≠fin(i＝1，2) (4)△fik/Fi＝(fik-Fi)/Fi≤5% (k＝1，2，…，n) (5)可移动列阵柱面透镜1和固定列阵柱面透镜2的列阵元母线取向相同，它们依照入射光束前进的方向，依次放置在入射光束的光轴的垂直面上。非球面透镜3置于固定列阵柱面透镜2之后，其光轴与入射光束的光轴重合。由几何光学关系，不难得到焦线长度为L＝-dfa(F1+F2+△1)/(F1F2) (6)
其中△1为可移动和固定两列阵柱面透镜的间距，fa为非球面透镜的焦距。由式(6)和图1，若使固定列阵柱面透镜2与非球面透镜3之间的距离△2固定(△2为常数)而使可移动列阵柱面透镜1沿着光轴前后自由移动，则焦线长度L将随着△1连续变化而连续变化，它们之间是一种简单的线性关系。由图1知，当高功率激光入射到列阵柱面透镜系统时，被分成n束子光束，每束子光束独自在非球面透镜3后焦面处产生一条与母线方向垂直的焦线。焦线上每点的光强是各列阵元对应点沿母线方向的入射光束光强的积分。因此，每个列阵元独自产生的焦线的光强分布是不均匀的，但所有列阵元产生的焦线都叠加在一起，相互补偿平均，便能得到一条均匀的焦线。即使入射光束空间强度分布不均匀，由于多条焦线的叠加平均，也能使这种不均匀性降低约n倍，从而对入射光束光强的空间分布均匀性的要求也大为降低。原则上，n越大，均匀化效果越好，但一般n＝4-6时就能获得较好的效果。然而，象图4所示的由于衍射所造成的不均匀却不能通过增加列阵元数来抹平，解决的办法有二一是使可移动列阵柱面透镜1上各列阵元的焦距彼此之间不同或使固定列阵柱面透镜2上各列阵元的焦距彼此之间不同，即满足(4)、(5)式，使得各子焦线的长度有所不同，它们的衍射图样彼此错开叠加，得到一条较均匀的焦线。
二是使可移动列阵柱面透镜1或固定列阵柱面透镜2中各列阵元9的光轴8分别偏离列阵元本身的机械轴7一个δik的距离，使子光束通过列阵组后，其中心光线的传输方向偏离一个小夹角θik＝δik/fik，如图3所示。这一夹角导致各子光束所汇聚的子焦线在线长方向产生一位移θik×fa(通常小于L的5%)，使得各子焦线的衍射图样彼此错开叠加，从而将衍射非均匀性抹平。
在变焦系统中，当焦线长度不同时，为获得最佳均匀化效果所要求的列阵元焦距的变化量或各列阵元光轴对其机械轴的偏离量是有所不同的，但几何光学结合衍射理论计算表明，能够选出一组参数，使焦线长度在所要求的变化范围都能得到比较满意的结果。
当入射光束通过列阵柱面透镜系统时，光束的折射仅发生在与母线垂直的方向，而在平行于母线的方向上没有折射，传输方向仍保持与光轴平行，因此系统产生的水平焦线位置始终在非球面透镜3的后焦面处，且焦线长度沿两端对称地伸缩。可移动列阵柱面透镜1、固定列阵柱面透镜2和非球面透镜3作为一个整体来设计，进行象差平衡，从而获得高纵横比的焦线。
实际上，平均焦距F2可正也可负。这里我们使F1＞0是为使入射光束通过可移动列阵柱面透镜1后各子光束在垂直于母线方向上有一定的汇聚作用，到达固定列阵柱面透镜2时使该方向子光束束宽小于d，不至于溢出。各参量可根据实际需要由(6)式确定，只需注意避免光路中光束汇聚得太小以至打坏光学元件即可。
本发明的优点①采用可变焦柱面透镜组实现了焦线长度在原位置上的连续可调;②使可移动列阵柱面透镜1或固定列阵柱面透镜2的各列阵元的焦距彼此之间不同，或者使可移动列阵柱面透镜1或固定列阵柱面透镜2各列阵元的光轴稍微偏离其机械轴的办法，使得各子焦线的衍射图样彼此错开叠加，以消除由于衍射所造成的焦线照明不均匀，从而获得更均匀的焦线。③结构比较简单，因为系统中所有的柱面透镜列阵元的母线都是平行的，有可能将可移动列阵柱面透镜1、固定列阵柱面透镜2和非球面透镜3作为一个整体来进行光学设计以平衡象差，从而获得比"光束积分系统"线宽更窄的焦线;④改变焦线长度的操作方便，能极大地提高工作效率。
实施例在图4示的柱面透镜列阵条件下，使列阵柱面透镜中的中间两个列阵元的焦距分别改为fc2＝4700mm和fc3＝4675mm即能得到一条光强分布不均匀性为η≈11%的焦线，如图5所示;仍在图4示的柱面透镜列阵条件下，使列阵柱面透镜中的中间两列阵元的光轴8分别偏离其机械轴7δc2＝0.78mm、δc3＝-0.78mm，对应于θc2＝0.17mrad和θc3＝-0.17mrad，即能得到一条η≈10%的焦线，如图6所示。
在一般的X光激光实验中，所需焦线长度L一般为10-30mm之间。设入射激光光束的束宽为250mm，非球面透镜3焦距为900mm，采用n＝4的变焦列阵柱面透镜组，则当F1＝580mm，F2＝-435mm时，△1在10-100mm范围内移动即能满足。在这里，为消除衍射的影响，使固定列阵柱面透镜2中的中间两列阵元的焦距分别改为f22＝-436.5mm和f23＝-433.8mm时，就能得到类似于图5的结果;使固定列阵柱面透镜2中的中间两列阵元的光轴8分别偏离其机械轴7δ22＝0.1mm，δ23＝-0.1mm，对应于θ22＝0.23mrad，θ23＝-0.23mrad时即能得到与图6相似的结果。因F1与△1相比已足够大，子光束入射到固定列阵2时，光束汇聚得并不厉害，不致于出现激光功率过高而打坏列阵2的情况，工程上是可行的。
权利要求
1.一种焦线长度连续可调的均匀线聚焦光学系统，含有由n个长条形柱面透镜列阵元沿平行于柱面轴线的母线方向平行排列而构成的列阵柱面透镜(1)、(2)，和一非球面透镜(3)，其特征在于入射光束首先进入的列阵柱面透镜(1)是沿光轴前后自由移动的平均焦距为F1的可移动列阵柱面透镜(1)，然后光束射进相对可移动列阵柱面透镜(1)有可变化的距离Δ1的平均焦距为F2的固定列阵柱面透镜(2)，可移动列阵柱面透镜(1)和固定列阵柱面透镜(2)的列阵元母线取向相同，并两列阵柱面透镜均放置在与入射光束垂直的面上，经过固定列阵柱面透镜(2)的光束再进入与固定列阵柱面透镜(2)有固定距离Δ2的光轴与入射光束光轴相重合的非球面透镜(3)。
2.依照权利要求1所述的一种焦线长度连续可调的均匀线聚焦光学系统，其特征在于构成可移动列阵柱面透镜(1)的n个列阵元的焦距分别为f11，f12，…，f1n，它们的平均焦距为F1，构成固定列阵柱面透镜(2)的n个列阵元的焦距分别为f21，f22，…，f2n，它们的平均焦距为F2，上述列阵元的焦距和列阵柱面透镜的平均焦距应满足(1)和(2)式fil≠fi2≠…≠fin(i＝1，2) (1)△fik/Fi＝(fik-Fi)/Fi≤5%(k＝1，2，…，n) (2)
3.依照权利要求1所述的一种焦线长度连续可调的均匀线聚焦光学系统，其特征在于构成可移动列阵柱面透镜(1)或固定列阵柱面透镜(2)的各列阵元(9)的光轴(8)分别偏离列阵元本身的机械轴(7)有一个δik的距离，并通常δik＜5%L(其中L为焦线长度)。
全文摘要
本发明是一种焦线长度连续可调的均匀线聚焦光学系统。主要用于高功率激光打靶实验或需要高功率光束线聚焦的工作中。它含有一沿光轴自由移动的平均焦距为F
文档编号G02B7/02GK1090649SQ93112629
公开日1994年8月10日 申请日期1993年12月21日 优先权日1993年12月21日
发明者丘悦, 王树森, 陈万年 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所