一种获得超高对比度激光的打靶装置和方法

1.本发明涉及一种激光打靶装置和方法，尤其涉及一种获得超高对比度的激光打靶装置和方法，属于激光技术领域。


背景技术：

2.超高功率密度激光轰击薄膜靶是获得超快高能粒子束和射线的重要手段。超高功率密度激光具有高斯分布的时域特征，脉冲宽度可以在皮秒，飞秒甚至阿秒级别，其主脉冲具有超高的瞬时峰值功率。主脉冲的前后，光强仍然很高，足以造成材料的损伤，因此把主脉冲的峰值功率与某时刻的光强之比，定义为该时刻的激光对比度。激光对比度是高功率激光的一项重要指标,定义为cr(t)＝i(t)/i(t＝0),其中i(t)为t时刻的激光强度，i(t＝0)为峰值激光强度。
3.打靶实验要求激光具有很高的时域对比度(即激光的信噪比)，以防止脉冲前沿产生冲击波破坏靶面或者对靶面预等离子化从而影响主脉冲与靶面的相互作用，如激光质子加速，为提高粒子束产额、截止能量和降低粒子束发散度，要求激光在纳秒尺度对比度达到109和皮秒尺度对比度达到105以上，而且随着激光达到拍瓦级别和聚焦峰值功率的进一步提高，对激光对比度的要求还将进一步提高。不同的加速机制对激光对比度的要求也有所不同，rpa机制有望显著提高粒子束产额、截止能量和降低粒子束发散度，其对激光对比度要求尤其严格。另外一些研究领域也要求激光具有很高对比度，如抑制热电子温度、提高特征x射线产额和得到高阶高次谐波等。
4.提高激光对比度一方面可从激光器本身出发，即优化激光前端脉冲的对比度，从而使能量放大后的激光也有更高的对比度，如xpw技术(交叉偏振滤波)，普克尔盒，opcpa技术，优化压缩光栅等。然而此种方法仅仅适用于小能量阶段，优化后的对比度仍然难以达到很多实验的要求。
5.另一方面，可以通过等离子体镜技术，其对比度提升ci＝r
sf
/r
wf
，其中r
sf
为强场激光反射率，r
wf
为弱场激光反射率。等离子体镜通常有两种形式，一种是独立的等离子体镜系统，这种形式效果较好但是需要占用一个独立的真空腔和两套oap；另一种是靶前等离子体镜，通过把等离子体镜嵌入光路，不需要额外的光学元件，但是等离子体镜和靶在空间上很靠近会相互制约，使得难以在对比度提升和打靶便利性方面很好兼容。
6.因此，有必要研究一种激光打靶装置及方法，以解决上述问题。


技术实现要素：

7.为了克服上述问题，本发明人进行了深入研究，一方面，提供一种获得超高对比度激光的打靶装置，包括第一等离子体镜1、第二等离子体镜2和靶3。
8.进一步地，第一等离子体镜1将激光光束反射至第二等离子体镜2，第二等离子体镜2将激光光束反射至靶3。
9.在一个优选的实施方式中，照射第一等离子体镜1的激光光束为tw级别以上功率
的激光，优选为pw级别功率的激光，更优选地，所述激光光束通过离轴抛物面镜聚焦得到。
10.在一个优选的实施方式中，第一等离子体镜1的镜面与激光光路中线呈45
°
夹角。
11.在一个优选的实施方式中，第一等离子体镜1反射的激光竖直向上或竖直向下。
12.在一个优选的实施方式中，照射第一等离子体镜1的激光光束的光路中线水平设置，第二等离子体镜2将第一等离子体镜1反射的激光再次反射到水平面上。
13.在一个优选的实施方式中，所述第一等离子体镜1固定在第一支架4上，所述第二等离子体镜2固定在第二支架5上，使得第一等离子体镜1和第二等离子体镜2的离焦位置合适，所述离焦位置合适是指激光能够在脉冲峰值前3ps内触发等离子体镜。
14.在一个优选的实施方式中，该装置还具有靶座31和镜靶支座6，所述靶3固定在靶座31上，所述靶座31固定在镜靶支座6上，
15.所述第一支架4、第二支架5与镜靶支座6固定连接。
16.在一个优选的实施方式中，该装置还包括位移台7，所述位移台为能够移动和/或旋转的平台，
17.所述第一支架4、第二支架5和/或镜靶支座6置于位移台7上，随位移台7移动或旋转。
18.另一方面，本发明还提供了一种获得超高对比度激光的打靶方法：激光通过至少两个等离子体镜反射聚焦后打靶，
19.该方法兼容瞄靶装置，以及兼容探测装置。
20.本发明所具有的有益效果包括：
21.(1)根据本发明所述的获得超高对比度激光的打靶装置，采用靶前放置等离子体镜，免去了独立的真空腔体和聚焦再准直光学元件，以及免去了激光转偏振装置；
22.(2)根据本发明所述的获得超高对比度激光的打靶装置，采用连续双等离子体镜，入射激光和出射激光不改变方向，激光对比度提升4个量级以上；
23.(3)根据本发明所述的获得超高对比度激光的打靶装置，双镜竖直放置，该装置对常用的p激光不需要改变偏振，即可使等离子体镜达到等效s偏振激光时的更高反射率，得到较高的激光反射率；
24.(4)根据本发明所述的获得超高对比度激光的打靶装置，双镜采用镀膜和不镀膜的简单组合，即可准确实现3种对比度激光的输出，而激光器端难以准确调控激光对比度；
25.(5)根据本发明所述的获得超高对比度激光的打靶装置，可实现重频打靶；
26.(6)根据本发明所述的获得超高对比度激光的打靶装置，兼容瞄靶装置和探测装置。
附图说明
27.图1示出根据本发明一种优选实施方式的一种获得超高对比度激光的打靶装置结构示意图；
28.图2示出一种传统激光打靶装置结构示意图；
29.图3示出一种传统激光打靶装置结构示意图。
30.附图标号说明：
31.1-第一等离子体镜；
32.2-第二等离子体镜；
33.3-靶；
34.31-靶座；
35.4-第一支架；
36.5-第二支架；
37.6-镜靶支座；
38.7-位移台；
39.8-瞄靶相机。
具体实施方式
40.下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。
41.在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
42.一方面，本发明提供了一种获得超高对比度激光的打靶装置，该装置包括第一等离子体镜1、第二等离子体镜2和靶3，如图1所示。
43.进一步地，第一等离子体镜1将激光光束反射至第二等离子体镜2，第二等离子体镜2将激光光束反射至靶3，从而完成打靶。
44.传统的激光打靶，一种是采用独立的等离子体镜系统，先利用半波片激光光束由p偏振转为s偏振，利用oap1(离轴抛物面镜)聚焦到等离子体镜，反射之后光束是发散的，再用oap2重新准直成平行光，平行光再传输到靶腔，经oap3重新聚焦打靶，如图2所示，这种方式需要占用一个独立的真空腔和两套oap，空间占用极大；
45.另一种是在靶前设置一个等离子体镜，如图3所示，该种方式等离子体镜的位置和角度调整困难，且方案将改变激光的出射方向，常常导致普通的矩形房屋无法满足布局要求或对房屋套内面积要求增加，导致成本升高，此外，该方法均采用p偏振激光作用于等离子体镜，由于等离子体共振吸收将导致反射率较低。
46.在本发明中，在靶前光路中设置两个等离子体镜，使得激光的出射方向无需改变，等离子体镜的位置和角度易于调整。
47.根据本发明，照射第一等离子体镜1的激光光束为tw级别以上功率的激光，优选为pw级别功率的激光，更优选地，所述激光光束通过离轴抛物面镜聚焦得到。
48.在一个优选的实施方式中，第一等离子体镜1的镜面与激光光路中线呈45
°
夹角，从而保证了镜面的平整度，减少应利造成的形变。
49.在本发明中，对第一等离子体镜1的形状不做特别限定，在一个优选的实施方式中，所述第一等离子体镜1为等腰直角三棱镜，当等腰直角三棱镜的底面水平放置时，其斜面与水平面呈45
°
夹角，便于调整。
50.在一个优选的实施方式中，所述第一等离子体镜1的镜面面型平整度pv值小于十分之一个激光波长。
51.进一步优选地，第一等离子体镜1反射的激光竖直向上或竖直向下，这样p偏振光
在镜面无电场分量，第一等离子体镜1在脉冲前沿激光较弱时，是一个低反射率镜面，当脉冲达到较高功率时镜面被电离产生等离子体平面从而强烈反射激光，这样就达到削弱激光脉冲前沿强度的作用，从而提高激光的对比度。
52.进一步优选地，照射第一等离子体镜1的激光光束的光路中线水平设置，第二等离子体镜2将第一等离子体镜1反射的激光再次反射到水平面上，二次提升激光对比度，并且实现p偏振等效成s偏振激光作用于等离子体镜从而得到较高的反射率。
53.经过实验，该种方式对常用的p激光不需要改变偏振，即可使等离子体镜达到等效s偏振激光时的更高反射率，能够使得激光对比度提升4个量级以上，同时，相对于传统的方式，免去了独立的真空等离子体镜腔体和聚焦再准直光学元件，以及免去了激光转偏振装置，极大降低了装置整体对空间的要求。
54.根据本发明，所述第一等离子体镜1、第二等离子体镜2可以根据需要选择镀抗反膜或不镀膜，通过组合不同镀膜情况的第一等离子体镜1、第二等离子体镜2，能够实现三种不同对比度激光的输出，并且实现了输出激光能量基本一致的效果。
55.传统的打靶装置，依靠激光器端对激光对比度调整，但一般情况下，激光器设计完成后，难以准确调整激光对比度，本发明通过等离子体镜的镀膜情况解决了此问题，极大提高了装置的适用性。
56.根据本发明一个优选的实施方式，该装置还包括第一支架4和第二支架5，
57.所述第一等离子体镜1固定在第一支架4上，所述第二等离子体镜2固定在第二支架5上，使得第一等离子体镜1和第二等离子体镜2的离焦位置合适，所述离焦位置合适是指激光能够在脉冲峰值前3ps内触发等离子体镜，使得激光能够触发等离子体，但又不能过早触发等离子体，进一步地，对于飞秒激光对应的功率密度为10
15
w/cm2～10
16
w/cm2。
58.在本发明中，对第一支架4和第二支架5的具体结构不做特别限定，可以是任意一种能够固定等离子体镜的结构，例如与等离子体镜的侧面固定连接的结构，或是与等离子体镜的底面固定连接的结构。
59.进一步地，在本发明中，所述固定连接可以是采用任意一种方式，可以是卡接、套接等，也可以是依靠压力、摩擦力、重力等连接，只要使得固定连接的两个器件之间无相对运动即可。
60.根据本发明，该装置还具有靶座31和镜靶支座6，所述靶3固定在靶座31上，所述靶座31固定在镜靶支座6上。
61.在本发明中，对所述靶3的结构和材料不做特别限定，可以是任意一种靶材，例如金属、塑料或dlc等的薄膜靶材，也可以是液体靶材或气体靶材，靶材的具体形式，以及材料、厚度等具体参数，本领域技术人员可根据实际需要和激光条件确定。
62.通常，薄膜靶的靶材的厚度一般为微米、纳米级别，在本发明中，由于激光经过第一等离子体镜1和第二等离子体镜2的作用后极大提高了对比度，本技术中的可以使用厚度小于1纳米的薄膜靶材进行打靶。
63.在本发明中，对靶座31的材质不做特别限制，例如可以是金属材质或绝缘材料，通常采用铝材。
64.进一步地，在本发明中，靶座31可以倾斜放置在镜靶支座6上，使得第二等离子体镜2反射的激光能够以不同角度打击靶3。
65.进一步优选地，所述第一支架4、第二支架5与镜靶支座6固定连接，使得第一等离子体镜1、第二等离子体镜2和靶3耦合在一起，使得光路更容易进行调整。
66.在一个优选的实施方式中，所述第一等离子体镜1和第二等离子体镜2为长条形，镜靶支座6上有多个靶3或靶座31上设置有多个靶3，使得第一支架4、第二支架5与镜靶支座6整体垂直于光路方向水平移动时，激光通过第一等离子体镜1和第二等离子体镜2能够打击多个靶3。
67.根据本发明一个优选的实施方式，该装置还包括瞄靶相机8，所述瞄靶相机8用于定位和优化聚焦激光光束的焦斑。
68.进一步地，所述瞄靶相机8为高倍率相机，通过拍摄焦斑图像后放大图像，实现焦斑更准确的定位，所述瞄靶相机8的具体结构或型号在本发明中不做赘述，本领域技术人员可根据需要进行设计或选择，例如，瞄靶相机8为mindvision mv-ged200m ccd与nikon t plan epi slwd 10x显微镜头组合而成。
69.进一步地，所述瞄靶相机8在第一等离子体镜1移出激光光路时，迎着激光光束传播方向拍摄，可定位焦斑的准确位置，从而辅助定位第一等离子体镜1和第二等离子体镜2的位置，使得激光光束正好落在第一等离子体镜1和第二等离子体镜2的镜面中线上。
70.进一步地，通过瞄靶相机拍摄靶处光斑的强度还能够确定激光准确的对比度提升倍数。
71.根据本发明一个优选的实施方式，该装置还包括位移台7，所述位移台为能够移动和/或旋转的平台，
72.所述第一支架4、第二支架5和/或镜靶支座6置于位移台7上，随位移台7移动或旋转，通过位移台7将等离子体镜及靶移出激光光路，以便于瞄靶相机8辅助确定焦斑位置、激光光路等信息，从而辅助定位第一等离子体镜1和第二等离子体镜2的位置。
73.进一步地，位移台7还在打靶过程中移动耦合在一起的第一等离子体镜1、第二等离子体镜2和靶座31，使得激光能够打击多个靶3，从而实现重频打靶。
74.优选地，所述位移台7为五维位移平台，例如asm25xy-rtv5五维组合位移台、apfp-xyzt五维位移台等。
75.另一方面，本发明还提供了一种获得超高对比度激光的打靶方法，
76.激光通过至少两个等离子体镜反射聚焦后打靶。
77.进一步地，所述激光为tw级别以上功率的激光，优选为pw级别功率的激光，更优选地，所述激光光束通过离轴抛物面镜聚焦得到。
78.优选地，等离子体镜的镜面面型平整度pv值小于十分之一个激光波长。
79.优选地，激光光路中线与第一等离子体镜的镜面呈45
°
夹角。
80.优选地，第一等离子体镜反射的激光竖直向上或竖直向下。
81.进一步优选地，照射第一等离子体镜的激光光束的光路中线水平设置，第二等离子体镜将第一等离子体镜反射的激光再次反射到水平面上。
82.优选地，设置第一等离子体镜、第二等离子体镜镜面是否镀抗反膜，实现不同对比度激光的输出。
83.优选地，激光在脉冲峰值前3ps内触发等离子体镜，
84.优选地，飞秒激光对应的功率密度为10
15
w/cm2～10
16
w/cm2。
85.根据本发明优选的实施方式，将两个等离子体镜和固定靶的靶座通过镜靶支座固定连接，实现镜靶耦合，在打靶过程中，整体移动镜靶支座，实现对多个靶座上的靶或一个靶座上多个靶的打击。
86.优选地，通过瞄靶相机定位焦斑的位置，从而辅助定位等离子体镜的位置。
87.具体地，瞄靶相机会对景深较小的面清晰成像，将等离子体镜移出激光光路，瞄靶相机迎着激光光束传播方向拍摄，上下和左右移动瞄靶相机能使激光进入相机，移动过程中，相机对某一离焦面成像，前后移动相机能对不同景深面清晰成像，相机不同位置下，成像的光斑大小不同，成像光斑最小的点即光斑尺寸最小的焦点为入射激光焦点光斑，该光斑位置即为入射激光初始焦点位置。
88.进一步地，根据激光初始焦点位置和等离子体镜离焦情况，可以获得第一等离子体镜要放置的位置，具体地获得等离子体镜放置位置的计算方法属于本领域技术人员的常规技术手段，在本发明中不做赘述。
89.进一步，将第一等离子体镜置于准确位置后，激光产生反射，焦点光斑位置变化，根据同样的方式即可确定第二等离子体镜的放置位置。
90.进一步，将第二等离子体镜置于准确位置后，移动瞄靶相机，确定激光新的焦点光斑位置，将靶移动到该焦点光斑位置。
91.在本发明中，所述获得超高对比度激光的打靶方法，能够兼容现有的瞄靶装置，以现有的瞄靶装置及瞄靶方法实现对靶的瞄准。
92.进一步地，根据本发明所述获得超高对比度激光的打靶方法，能够兼容现有的激光探测装置，无需设计或采购新的激光探测装置，即可实现对本发明装置中激光的探测。
93.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于本发明工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
94.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接普通；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
95.以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。