一种单光束动态聚焦方法
【技术领域】
[0001 ]本发明属于激光设备技术领域，具体地说涉及一种单光束动态聚焦方法。
【背景技术】
[0002] 在激光惯性约束聚变的直接驱动方式中，激光直接辐照在靶丸上，靶丸在内爆过 程中不断压缩变小，激光束初始形成的焦斑与压缩后的靶丸不再匹配，能量从靶丸边缘流 失。此外，在直接驱动中，靶丸上焦斑的交叉重叠会激发离子声波，使得光束能量通过离子 声波从当前束转移到邻近束，破坏内爆对称性。
[0003] -般来说，不同的靶设计对焦斑尺寸的要求是不同的。例如，NIF装置（国家点火装 置)采用的靶丸直径约2018μπι，压缩过程的焦斑直径约171 Ομπι，而点火的焦斑直径约800μπι， 焦斑尺寸在压缩过程中需减小约53%;罗彻斯特大学Omega钕玻璃激光装置采用的靶丸直 径约930μπι，压缩过程的焦斑直径约700μπι，点火采用长短轴直径分别为288μπι与212μπι的椭 圆焦斑，焦斑尺寸需减小约64%。一般来说，在靶丸辐照初期，焦斑直径约为靶丸直径的0.9 倍，具有较好的辐照均匀性，随着压缩过程产生等离子体，焦斑直径约为靶丸直径的0.7~ 〇. 5倍，具有较高的吸收效率且满足辐照均匀性要求。
[0004] 目前，实现动态聚焦的方法均是采用组束的方式。激光装置将一个集束分为多束 光，每束光有各自的激光脉冲和焦斑形态，在靶丸压缩过程中随时间打开或关闭每束光，逐 步减小焦斑尺寸，实现动态聚焦。然而，组束动态聚焦为了实现与单脉冲压缩相似的效果， 必须要对不同时刻出射的脉冲光束进行精密的时间控制。另外，组束动态聚焦是由各个很 短的子脉冲在时间上拼接而成，而装置放大器在单位时间内对能量的提取效率有限，短脉 冲放大将大大降低装置的输出能力。因此，在靶丸压缩过程中逐渐减小焦斑尺寸，即实现动 态聚焦，对提高流体力学稳定性和束靶耦合效率具有重要意义。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种所需光学元件少、实现 功能多、易于操作、可实现化程度高、不存在短脉冲放大饱和降低激光系统输出能力的单光 束动态聚焦方法。
[0006] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0007] -种单光束动态聚焦方法，包括由激光源发射激光脉冲，所述激光脉冲经过全息 光栅聚焦到靶丸，所述激光脉冲的波长呈增大趋势变化，且所述波长的变化范围与靶丸压 缩变化过程中焦斑尺寸变化匹配。
[0008] 进一步，所述激光源与全息光栅设置为同光轴结构，所述激光脉冲的波长为λ，所 述增大到λ2，且0.5nm < λζ-λχ < 1.5nm。
[0009] 进一步，所述激光源处设置位相调制器，所述靶丸的压缩变化时间为n，则所述位 相调制器对波长的调制频率为
[0010]进一步，所述全息光栅的制作过程包括以下步骤：
[0011] (1)选用熔石英作为基底，在基底上均匀涂上光刻胶；
[0012] ⑵采用波长均为λ〇的平行光和点光源在光刻胶表面干涉，且λ〇为所述激光脉冲的 中心波长，经过显影刻蚀操作，完成全息光栅的记录过程，且h λ2 ;
[0013] (3)将波长为λ的激光脉冲从全息光栅的背面入射，当λ = λ〇时，在所述点光源位置 出现与其相同的像点，当λ矣λ〇时，所述激光脉冲在不同的焦距处聚焦成像点，且
,其中，fo为所述点光源与全息光栅中心的距离，其与激光脉冲的光束口径、光 束空间排布匹配，f为激光脉冲的像点与全息光栅中心的距离。
[0014] 进一步，所述点光源设置为离轴结构，其离轴角度Θ为10-20°。
[0015] 进一步，当λ = λ.，波长为\:的激光脉冲的像点与全息光栅中心的距离为心，则
;当\ = \2时，波长为\2的激光脉冲的像点与全息光栅中心的距离为f2,则
，则激光脉冲的波长从心增大到λ2产生的相对变焦量△ f为：
[0017]进一步，所述波长为λ的激光脉冲在靶丸形成的焦斑尺寸为d，其在焦点形成的焦 斑尺寸为，所述d与的关系表达式为：
[0020] 根据靶丸压缩变化过程中对焦斑尺寸的变化要求，求得λ，其中，D为全息光栅的有 效通光口径。
[0021] 进一步，所述激光脉冲的波长从λ:增大到λ2产生的理论最大波前变化为Δ L，则
[0022] 进一步，沿着激光脉冲的传输方向，所述全息光栅的一侧设置有波前探测器，所述 波前探测器与全息光栅中心的距离为S，且S = f2,所述波前探测器对焦斑的实际波前变化 进行测量。
[0023]进一步，所述实际波前变化的最大值为L，将L与Δ L进行对比，若Δ L_0.02ym < L < Δ L+0.02μπι，说明焦斑的实际波前变化与理论波前变化一致，靶丸处焦斑实现动态聚焦，并 且所述焦斑的动态聚焦过程与靶丸压缩变化过程匹配。
[0024] 本发明的有益效果是：
[0025] 1、本发明中激光脉冲通过全息光栅聚焦到靶丸上，全息光栅对激光脉冲可以同时 实现聚焦、色分离和动态聚焦的功能，所需光学元件少，实现功能多。
[0026] 2、本发明中激光脉冲的波长由短变长，促使焦斑的尺寸随着波长变化而减小，与 传统的组束动态聚焦方法相比，本发明产生不同尺寸焦斑的数量更多，焦斑的变化过程与 靶丸压缩变化过程更加匹配。
[0027] 3、本方法采用单光束动态聚焦，避免了组束动态聚焦对各子脉冲精密的时间控制 问题，具有易于操作、可实现化程度高的特点。
[0028] 4、本发明中激光脉冲不是由子脉冲拼接而成，不存在短脉冲放大饱和降低激光系 统输出能力的问题。
【附图说明】
[0029] 图1是本发明的整体结构示意图；
[0030] 图2为本发明实施例中，实际波前变化与波长的关系图一；
[0031]图3为本发明实施例中，实际波前变化与波长的关系图二；
[0032] 图4为本发明实施例中，实际波前变化与波长的关系图三；
[0033] 其中，图2-4中的横坐标表示波长，单位为nm，其纵坐标表示波前峰谷值，单位为μ m〇
[0034] 附图中：激光源1、透镜2、全息光栅3、波前探测器4、激光脉冲5、位相调制器6。
【具体实施方式】
[0035] 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。
[0036] 实施例一：
[0037] 如图1所示，一种单光束动态聚焦方法，包括由激光源1发射激光脉冲5,所述激光 脉冲5经过透镜2扩束成平行光，通过全息光栅3将平行光聚焦到靶丸，实现动态聚焦过程， 所述激光源1、透镜2和全息光栅3设置为同光轴结构，采用单光束动态聚焦，避免了组束动 态聚焦对各子脉冲精密的时间控制问题，易于操作，可实现化程度高，同时，激光脉冲5不是 由子脉冲拼接而成，不存在短脉冲放大饱和降低激光系统输出能力的问题。
[0038] 所述激光脉冲5的波长呈增大趋势变化，所述激光脉冲5的波长为λ，所述λ由入:增 大到λ2,且0.5nm < < 1.5nm，且所述波长的变化范围与靶丸压缩变化过程中焦斑尺寸 变化匹配。
[0039] 所述激光源1处设置位相调制器6,对激光脉冲5进行展，所述靶丸的压缩变化时间 为n，则所述位相调制器6对波长的调制频率为
[0040] 所述全息光栅3的制作过程包括以下步骤：
[0041 ] (1)选用熔石英作为基底，在基底上均匀涂上光刻胶；
[0042] (2)采用波长均为λ〇的平行光和点光源在光刻胶表面干涉，且λ〇为激光脉冲5的中 心波长，所述中心波长为波长范围内能级最大的波长，经过显影刻蚀操作，完成全息光栅3 的记录过程，且λ? < λ〇 <入2 ;
[0043] (3)将波长为λ的激光脉冲5从全息光栅3的背面入射，当λ = λ〇时，在所述点光源位 置出现与其相同的像点，当λ矣λ〇时，所述激光脉冲5在不同的焦距处聚焦成像点，且
其中，f〇为所述点光源与全息光栅中