一种消除子光栅密度差的调整方法及调整装置与流程

本发明涉及拼接光栅压缩器的调试方法，具体涉及一种基于子口径光束空-谱干涉、引入光栅平移量消除拼接光栅压缩器中子光栅间线密度差调整方法。

背景技术：

在超强激光啁啾脉冲放大系统中，压缩器是非常关键的部分。目前使用最广泛的压缩器是平行光栅对压缩器，光栅的口径和损伤阈值是限制装置输出能力的主要因素，光栅拼接技术是扩大光栅口径、提高系统输出能力的重要措施。光栅拼接技术的核心是高精度地控制各种拼接误差，除了光栅角度、位置等的安装误差外，子光栅之间的线密度差也会严重影响输出激光脉冲的时空特性，子光栅之间的线密度不一致会导致子口径光束发生角度偏移，使远场光斑变大，还会引入色散变化，使输出脉冲脉宽展宽，降低脉冲峰值功率密度。因此有效地消除拼接光栅压缩器中子光栅间线密度差的影响有利于提高装置输出激光脉冲的性能。

目前补偿拼接光栅压缩器线密度差影响的通用方法是配对误差补偿法，即引入绕母线旋转的角度误差，使子口径光束的远场重合，该方法只能校正由线密度差引起的出射光角度偏移，并不能补偿线密度差导致的色散变化，并且只适用于线密度差较小的情况，当子光栅之间有较大的线密度差时，该方法不能消除脉宽展宽效应。事实上，对于光栅线密度标称值一致的不同批次光栅之间往往会有较大的线密度差，此时利用普通的拼接误差监控与调试方法难以得到变换极限的脉宽。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种消除子光栅密度差的调整方法，有效消除或降低拼接光栅线密度差对压缩器输出脉冲的影响，有助于获得变换极限的脉宽，并且能够直观、简便地对拼接型光栅压缩器进行调试。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种消除子光栅密度差的调整方法，包括如下步骤：

步骤一、拼接光栅压缩器中设置有双程折返镜和子光栅对，所述子光栅对之间存在线密度差，所述双程折返镜固定在光栅架上，所述子光栅对安装在光栅架上并可旋转和移动，激光源的输出光经第一半透半反镜跨拼缝注入有线密度差的拼接光栅压缩器，其出射光经第二半透半反镜后分为两部分，一部分光通过科学面级CCD来监测远场光斑形态，用于校正出射光角度偏移，另一部分光通过光栅光谱仪进行空-谱干涉实验，用于补偿光栅线密度差的色散变化；

步骤二、如果压缩器的子光栅间存在较大的线密度差，在子光栅共面的情况下其远场焦斑形态表现为分离的光斑，通过引入绕母线旋转的角度误差校正出射光偏移，在科学面级CCD上观察压缩器输出光的远场光斑是否重合；

步骤三、引入光栅平移量补偿由光栅线密度差引起的色散变化，即将有刻线密度差的光栅沿子光栅对中心连线的方向平移，将基准光与待校正光导入同一个光栅光谱仪产生空-谱干涉条纹，在平移光栅的过程中观察干涉条纹的变化，当条纹变得水平时就确认由光栅线密度差引起的色散变化得到了较好的补偿。

进一步，所述步骤三中，所述的引入光栅平移量补偿由光栅线密度差引起的色散变化的过程为：将有刻线密度差的光栅沿光栅法线方向平移，根据空-谱干涉条纹的变化情况判断光栅平移方向是否正确，如果在平移过程中条纹的弯曲程度变大，说明光栅的平移方向错误，应向相反的方向平移；如果条纹的弯曲程度变小，说明光栅的平移方向正确，继续平移直到条纹变得水平时即确认由光栅线密度差引起的色散变化得到了较好的补偿。

进一步，所述步骤三中，所述基准光与待校正光是同一压缩器输出光的不同子口径光束，其中基准光是拼接光栅压缩器中无线密度差的子光栅对的出射光，或者是通过常规调试方法已经调试好的一组子光栅对的出射光，待校正光为拼接光栅压缩器中存在线密度差的子光栅对的出射光。

进一步，在进行拼接光栅压缩器子口径光束空-谱干涉之前要消除测量光路引入的附加色散误差，消除测量光路引入的附加色散误差的具体过程为：在拼接光栅压缩器前插入一个0°反射镜，使激光源的输出光不经过压缩器而直接被0°反射镜反射，反射后的光通过测量光路，用该反射光中的子口径光束进行空-谱干涉，观察空-谱干涉条纹，通过第一驱动部和第二驱动部同时调整测量光路的光程，当干涉条纹变成水平直条纹时就说明由测量光路引入的附加色散误差消除，消除附加色散误差后去掉在拼接光栅压缩器前插入的0°反射镜。

一种消除子光栅密度差的调整装置，包括激光源输出机构、拼接光栅压缩器机构、科学面级CCD监测机构和空-谱干涉调整机构；

所述激光源输出机构包括激光源、透镜和第一反射镜，激光源的输出光经透镜和第一反射镜后由第一半透半反射镜注入拼接光栅压缩器机构；

所述拼接光栅压缩器机构设置有双程折返镜、第一子光栅、第二子光栅、第三子光栅和第四子光栅，所述双程折返镜、第一子光栅、第二子光栅、第三子光栅固定在光栅架上，所述第四子光栅安装在光栅架上并由第三驱动部进行驱动，所述拼接光栅压缩器机构出射的光经第二半透半反射镜分别注入科学面级CCD监测机构和空-谱干涉调整机构；

所述科学面级CCD监测机构包括第二反射镜和透镜，所述第二反射镜接受第二半透半反射镜注入的光，然后通过监测科学面级CCD监测远场光斑；

所述空-谱干涉调整机构包括第三半透半反射镜，第四半透半反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜、第八反射镜、第九反射镜和第十反射镜，所述第七反射镜固定在第一驱动部，所述第八反射镜固定在第二驱动部；第三半透半反射镜接受第二半透半反射镜注入的光后分成反射光和透射光，反射光经第三反射镜、第四反射镜以及第五反射镜后与透射光经第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜、第八反射镜、第九反射镜和第十反射镜后均到达第四半透半反射镜，并通过第四半透半反射镜进入光栅光谱仪进行空-谱干涉。

进一步，所述空-谱干涉调整机构还包括第一光阑和第二光阑，所述第一光阑位于第五反射镜和第四半透半反射镜之间，所述第二光阑位于第九反射镜和第十反射镜之间。

进一步，所述第一驱动部和第二驱动部均为移动导轨。

本发明的有益效果如下：

(1)、本发明可以有效地补偿子光栅间线密度差引起的色散变化，消除/降低线密度差对压缩器输出激光脉冲的影响，在一定程度上可以降低光栅的制作难度。

(2)、利用干涉条纹的形状判断基准光与待校正光间色散差的过程为：干涉条纹的弯曲方向反映色散差的正负，干涉条纹的弯曲程度反映色散差的大小，弯曲程度越大，表示色散差越大，能够直观地反映色散变化的补偿情况，使对拼接型光栅压缩器的调试变得更为简便。

(3)、本方法采用焦斑形态的调整和补偿色散，来同时兼顾输出光束的空间和时间特性，并且不仅能校正由线密度差小的情况，也能校正子光栅之间有较大的线密度差时，消除脉宽展宽效应。

附图说明

图1为本发明的拼接光栅压缩器子光栅间线密度差补偿示意图；

图2为本发明的基准光与待校正光进行空-谱干涉的实验光路示意图；

图3为本发明的压缩器出射光远场光斑图案；

图4为本发明的基准光与待校正光的空-谱干涉图案；

图中各符号的含义：G₁₁、G₁₂、G₂₁、G₂₂分别为拼接光栅压缩器的第一子光栅、第二子光栅、第三子光栅和第四子光栅，G₂₂′、G₂₂″表示第四子光栅G₂₂的不同位置，L₁、L₁、L₃分别为第一透镜、第二透镜和第三透镜，S₁、S₂、S₃、S₄分别为第一半透半反镜、第二半透半反镜、第三半透半反镜和第四半透半反镜，A₁、A₂分别为第一光阑和第二光阑，M₀为0°反射镜，M为双程折返镜，M₁、M₂、M₃、M₄、M₅、M₆、M₇、M₈、M₉、M₁₀分别为第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜、第八反射镜、第九反射镜和第十反射镜。

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。

一种消除子光栅密度差的调整装置，包括激光源输出机构、拼接光栅压缩器机构、科学面级CCD监测机构和空-谱干涉调整机构；

所述激光源输出机构包括激光源、透镜和第一反射镜M₁，激光源的输出光经透镜和第一反射镜M₁后由第一半透半反射镜S₁一部分光注入拼接光栅压缩器机构；

所述拼接光栅压缩器机构设置有双程折返镜M、第一子光栅G₁₁、第二子光栅G₁₂、第三子光栅G₂₁和第四子光栅G₂₂，所述双程折返镜M、第一子光栅G₁₁、第二子光栅G₁₂、第三子光栅G₂₁固定在光栅架上，所述第四子光栅G₂₂安装在光栅架上并由第三驱动部进行驱动，所述拼接光栅压缩器机构出射的光经第二半透半反射镜S₂分别注入科学面级CCD监测机构和空-谱干涉调整机构；

所述科学面级CCD监测机构包括第二反射镜M₂和透镜，所述第二反射镜M₂接受第二半透半反射镜S₂注入的光，然后通过监测科学面级CCD监测远场光斑；

所述空-谱干涉调整机构包括第三半透半反射镜S₃，第四半透半反射镜S₄、第三反射镜M₃、第四反射镜M₄、第五反射镜M₅、第六反射镜M₆、第七反射镜M₇、第八反射镜M₈、第九反射镜M₉和第十反射镜M₁₀，所述第七反射镜M₇固定在第一驱动部，所述第八反射镜M₈固定在第二驱动部，所述第一驱动部和第二驱动部均为移动导轨；第三半透半反射镜S₃接受第二半透半反射镜S₂注入的光后分成反射光和透射光，反射光经第三反射镜M₃、第四反射镜M₄、第五反射镜M₅以及第一光阑A₁后与透射光经第五反射镜M₅、第六反射镜M₆、第七反射镜M₇、第八反射镜M₈、第九反射镜M₉、第二光阑A₂和第十反射镜M₁₀后均到达第四半透半反射镜S₄，并通过第四半透半反射镜S₄进入光栅光谱仪进行空-谱干涉。

采用上述装置，本发明消除子光栅密度差的调整方法，包括如下步骤：

步骤一、拼接光栅压缩器中设置有双程折返镜M和子光栅对，所述子光栅对之间存在线密度差，所述双程折返镜M固定在光栅架上，所述子光栅对安装在光栅架上并可旋转和移动，激光源的输出光经第一半透半反镜S₁跨拼缝注入有线密度差的拼接光栅压缩器，其出射光经第二半透半反镜S₂后分为两部分，一部分光通过科学面级CCD来监测远场光斑形态，用于校正出射光角度偏移，另一部分光通过光栅光谱仪进行空-谱干涉实验，用于补偿光栅线密度差的色散变化；

步骤二、如果压缩器的子光栅间存在较大的线密度差，在子光栅共面的情况下其远场焦斑形态表现为分离的光斑，通过引入绕母线旋转的角度误差校正出射光偏移，在科学面级CCD上观察压缩器输出光的远场光斑是否重合；

步骤三、引入光栅平移量补偿由光栅线密度差引起的色散变化，即将有刻线密度差的光栅沿子光栅对中心连线的方向平移，将基准光与待校正光导入同一个光栅光谱仪产生空-谱干涉条纹，所述基准光与待校正光是同一压缩器输出光的不同子口径光束，其中基准光是拼接光栅压缩器中无线密度差的子光栅对的出射光，或者是通过常规调试方法已经调试好的一组子光栅对的出射光，待校正光为拼接光栅压缩器中存在线密度差的子光栅对的出射光。在平移光栅的过程中观察干涉条纹的变化，当条纹变得水平时就说明由光栅线密度差引起的色散变化得到了较好的补偿。所述的引入光栅平移量补偿由光栅线密度差引起的色散变化的过程为：将有刻线密度差的光栅沿光栅法线方向平移，根据空-谱干涉条纹的变化情况判断光栅平移方向是否正确，如果在平移过程中条纹的弯曲程度变大，说明光栅的平移方向错误，应向相反的方向平移；如果条纹的弯曲程度变小，说明光栅的平移方向正确，继续平移直到条纹变得水平时即认为由光栅线密度差引起的色散变化得到了较好的补偿。

在进行拼接光栅压缩器子口径光束空-谱干涉之前要消除测量光路引入的附加色散误差，消除测量光路引入的附加色散误差的具体过程为：在拼接光栅压缩器前插入一个0°反射镜M₀，使激光源的输出光不经过压缩器而直接被0°反射镜M₀反射，反射后的光通过测量光路，用该反射光中的子口径光束进行空-谱干涉，观察空-谱干涉条纹，通过第一驱动部和第二驱动部同时调整测量光路的光程，当干涉条纹变成水平直条纹时就说明由测量光路引入的附加色散误差消除，消除附加色散误差后去掉在拼接光栅压缩器前插入的0°反射镜M₀。

实施例一：

如图1所示，第一子光栅G₁₁、第二子光栅G₁₂、第三子光栅G₂₁、第四子光栅G₂₂为拼接光栅压缩器的四块子光栅，其中第一子光栅G₁₁、第二子光栅G₁₂和第三子光栅G₂₁的线密度为N，第四子光栅G₂₂的线密度为N′，子光栅间线密度差ΔN＝N′﹣N，当激光通过压缩器时，第二子光栅G₁₂、第四子光栅G₂₂所构成的子光栅对由于存在线密度差，其出射光会发生角度偏移，偏移角度为β(相对于无线密度差时的出射光)。

本发明的基准光与待校正光进行空-谱干涉的实验光路图见图2，选用的激光源为宽带短脉冲光源，其输出光经第一透镜L₁、第二透镜L₂扩束和第一反射镜M₁后由第一半透半反镜S₁跨拼缝注入有线密度差的拼接光栅压缩器，其出射光经第二半透半反镜S₂后分为两部分，一部分光经第二反射镜M₂和第三透镜L₃用于监测远场光斑形态，另一部分光经第三半透半反镜S₃分成反射和透射两路光，用于进行空-谱干涉实验，其中反射光经第三反射镜M₃、第四反射镜M₄、第五反射镜M₅以及第一光阑A₁后与透射光经第六反射镜M₆、第七反射镜M₇、第八反射镜M₈、第九反射镜M₉、第十反射镜M₁₀以及第二光阑A₂后均到达第四半透半反镜S₄，并通过第四半透半反镜S₄进入光栅光谱仪进行空-谱干涉。

在进行子口径光束空-谱干涉之前要消除测量光路引入的附加色散误差，其中第三半透半反镜S₃、第三半透半反镜S₄采用相同材料且厚度相同，目的是用以消除附加元件自身的色散对系统色散测量的影响。具体操作过程为：在压缩器前插入一个0°反射镜M₀，使宽带光源的输出光不经过压缩器而直接被M₀反射，反射后的光通过测量光路，同样被第三半透半反镜S₃分成反射和透射两路光，用这两路光进行空-谱干涉，观察空-谱干涉条纹，将第七反射镜M₇、第八反射镜M₈均安装在移动导轨上，可同时平移，当干涉条纹变成水平直条纹时就说明消除了由测量光路引入的附加色散误差。消除附加色散误差后去掉0°反射镜M₀。

消除附加元件自身的色散对系统色散测量的影响后，通过引入光栅平移量来补偿线密度差引起的色散变化，具体操作过程是将第四子光栅G₂₂绕光栅母线旋转以校正压缩器出射光的角度偏移，第四子光栅G₂₂旋转后的位置如图1中G₂₂′，然后引入光栅平移量补偿光栅线密度差引起的色散变化，即将第四子光栅G₂₂沿拼接光栅中心连线方向平移，平移后的位置如图1中G₂₂″。

图3为本发明的压缩器出射光远场光斑图，未进行线密度差补偿时，压缩器出射光的远场光斑为分离的光斑(图3(a))，引入绕母线旋转的角度误差校正压缩器出射光的角度偏移后，压缩器出射光的远场光斑重合在一起(图3(b))。

本发明实施例中激光源为宽带光源，其输出的激光脉冲谱宽约为8nm，中心波长为1053nm，经拼接光栅压缩器后由第三半透半反镜S₃分成透射和反射两路光，通过两支光路上的第一光阑A₁、第二光阑A₂进行挡光，使发射光路中来自光栅对第一子光栅G₁₁、第三子光栅G₂₁的光(图3(a)中的右瓣光)与透射光路中来自光栅对第二子光栅G₁₂、第四子光栅G₂₂的光(图3(a)中的左瓣光)在第四半透半反镜S₄处会聚(图3(c))并进入光栅光谱仪进行空-谱干涉。

本发明中的空-谱干涉实验的核心是用压缩器的同一束输出光中的不同子口径光束进行空-谱干涉，即将压缩器中无线密度差的第一子光栅G₁₁、第三子光栅G₂₁的输出光作为基准光，压缩器中有线密度差的第二子光栅G₁₂、第四子光栅G₂₂的输出光作为待校正光，将基准光与待校正光导入同一个光栅光谱仪产生空-谱干涉图案。

利用空-谱干涉条纹的形状判断基准光与待校正光间色散差的过程为：干涉条纹的弯曲方向反映色散差的正负，干涉条纹的弯曲程度反映色散差的大小，弯曲程度越大，表示色散差越大(图4(a)、(b))，如果在平移过程中条纹的弯曲程度变大，说明第四子光栅G₂₂的平移方向错误，应向相反的方向平移；如果条纹的弯曲程度变小，说明第四子光栅G₂₂的平移方向正确，继续平移直到条纹变得水平(图4(c))，即确认由光栅线密度差引起的色散变化得到了较好的补偿。通过调整拼接光栅压缩器机构中的第四子光栅G₂₂的位置(绕母线旋转并沿子光栅对中心连线方向平移)，获得了拼接光栅压缩器线密度差影响被消除后的远场光斑图(图3(b))和空-谱干涉图案(图4(c))。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。