本發(fā)明涉及一種超短脈沖激光相干合束方法，具體涉及一種基于拼接鎖定和遠(yuǎn)場(chǎng)的超短脈沖激光相干合束方法。

背景技術(shù)：

高能、超短、超強(qiáng)激光在材料科學(xué)、強(qiáng)場(chǎng)物理等前沿科學(xué)領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值，但是受到各種非線性效應(yīng)及元件損傷等因素的限制，單路激光器的輸出能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足越來(lái)越高的應(yīng)用需求，相干合束是提升系統(tǒng)輸出能力的重要途徑。

相干合束可以利用較少的激光束獲得較高的聚焦功率密度，但影響相干合束效果的因素很多（如振動(dòng)和光路失調(diào)、放大器熱畸變、溫度漲落、非線性效應(yīng)等）。在大型激光裝置中，整個(gè)光路鏈從前到后有上百個(gè)元件，任何一個(gè)元件的微小變化都可能影響相干合束的效果。針對(duì)25fs的激光脈沖，為了獲得好的相干合束效果，脈沖間的相對(duì)延時(shí)需控制在5fs以內(nèi)，位相差需控制在π/5以內(nèi)。目前通用的一些技術(shù)如光電管和示波器、條紋相機(jī)等方法不能用于這類(lèi)高精度誤差的探測(cè)與控制。K. L. Baker等人提出了一種基于焦點(diǎn)附近光纖回傳激光的干涉自適應(yīng)方案（Interferometric adaptive optics testbed for laser pointing，wave-front control and phasing，OPTICS EXPRESS，17(19)，2009），但在焦點(diǎn)附近增加探測(cè)元件并不方便，不僅擠占了靶空間，也不便于實(shí)施，同時(shí)該方案不便于提高控制帶寬。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于拼接鎖定和遠(yuǎn)場(chǎng)相結(jié)合的超短脈沖激光相干合束方法。

本發(fā)明的基于拼接鎖定和遠(yuǎn)場(chǎng)的超短脈沖激光相干合束方法，其特點(diǎn)是，所述方法包括以下內(nèi)容：

高重頻飛秒激光源產(chǎn)生的超短脈沖激光分束后，經(jīng)誤差補(bǔ)償模塊進(jìn)行誤差補(bǔ)償后沿不同的光路鏈傳輸，經(jīng)取樣模塊取樣后進(jìn)入聚焦模塊，在聚焦模塊的焦點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)子光光束之間的相干增強(qiáng)疊加；

取樣模塊用于部分透射光光束的取樣；

監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)同時(shí)采集取樣光束的光束之間譜干涉信號(hào)及遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)，用以判斷光束之間的相對(duì)誤差；誤差補(bǔ)償模塊對(duì)光束之間的相對(duì)誤差進(jìn)行補(bǔ)償后，實(shí)現(xiàn)超短脈沖激光在焦點(diǎn)處的相干合束。

所述的高重頻飛秒激光源的最低重復(fù)頻率為系統(tǒng)所需控制的隨機(jī)擾動(dòng)源頻率的8~10倍。

所述的取樣模塊及聚焦模塊由數(shù)塊光學(xué)玻璃元件拼接而成或直接利用整塊光學(xué)玻璃元件，在對(duì)光束進(jìn)行傳輸?shù)耐瑫r(shí)不引入光束之間動(dòng)態(tài)誤差。

所述的監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)采集的遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)包含各子光束獨(dú)立的遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)和子光束之間合成的遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)。

所述的各子光束獨(dú)立的遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)是對(duì)各子光束局部空間區(qū)域的光聚焦形成的與其它子光束相互獨(dú)立的遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)，用以反映和控制各子光束指向性的變化。

所述的子光束之間合成的遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)是對(duì)相鄰子光束的相鄰區(qū)域局部取光后利用同一光學(xué)玻璃元件聚焦獲得的相鄰子光束的合成遠(yuǎn)場(chǎng)，用以反映和控制相鄰子光束之間位相差的變化。

所述的監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)采集的光束之間譜干涉信號(hào)和子光束之間合成的遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)一起實(shí)現(xiàn)多擾動(dòng)源或大擾動(dòng)量情況下的光束之間同步探測(cè)。

所述的監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)運(yùn)行前根據(jù)焦點(diǎn)處的信號(hào)進(jìn)行預(yù)先標(biāo)定，確定運(yùn)行過(guò)程中監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)中的信號(hào)與焦點(diǎn)處信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

本發(fā)明的特點(diǎn)如下：

（1）監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)利用取樣模塊獲取的部分透射光進(jìn)行光束之間相對(duì)誤差的判斷，保證了該方法可以在大型激光裝置進(jìn)行物理打靶的同時(shí)開(kāi)展，能為物理打靶提供超強(qiáng)激光；

（2）由于大部分的激光光用于物理打靶，只有少量的透射光用于光束之間相對(duì)誤差的判斷，根據(jù)譜干涉信號(hào)和子光束之間合成的遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)探測(cè)光束之間同步誤差，降低了對(duì)光源的要求；

（3）取樣模塊和聚焦模塊在對(duì)光束進(jìn)行傳輸?shù)耐瑫r(shí)不引入光束之間動(dòng)態(tài)誤差，保證了焦點(diǎn)處與監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)處光束的狀態(tài)存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，補(bǔ)償監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)處探測(cè)到的光束之間相對(duì)誤差可實(shí)現(xiàn)激光脈沖在焦點(diǎn)處的相干合束。

（4）根據(jù)各子光束獨(dú)立的遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)探測(cè)各子光束指向性的變化以及子光束之間合成的遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)探測(cè)光束之間位相差，利于提高控制帶寬。

本發(fā)明充分考慮到大型激光裝置與超短脈沖激光相干合束的特點(diǎn)，可用于大型激光裝置中超短脈沖激光的相干合束，獲取超強(qiáng)激光。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的原理框圖；

圖2為探測(cè)各子光束獨(dú)立的遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)和子光束之間合成的遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)的實(shí)施例；

圖3為參與合束的光束數(shù)目為N+1的誤差補(bǔ)償模塊實(shí)施例。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。

以下實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明，而并非對(duì)本發(fā)明的限制。有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化、替換和變型，因此同等的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇。

如圖1所示，本發(fā)明的基于拼接鎖定和遠(yuǎn)場(chǎng)的超短脈沖激光相干合束方法通過(guò)以下內(nèi)容實(shí)現(xiàn)：

所述方法包括以下內(nèi)容：

高重頻飛秒激光源1產(chǎn)生的超短脈沖激光分束后，經(jīng)誤差補(bǔ)償模塊2進(jìn)行誤差補(bǔ)償后沿不同的光路鏈3傳輸，經(jīng)取樣模塊4取樣后進(jìn)入聚焦模塊6，在聚焦模塊6的焦點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)子光光束之間的相干增強(qiáng)疊加；

取樣模塊4用于部分透射光光束的取樣；

監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)5同時(shí)采集取樣光束的光束之間譜干涉信號(hào)及遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)，用以判斷光束之間的相對(duì)誤差；誤差補(bǔ)償模塊2對(duì)光束之間的相對(duì)誤差進(jìn)行補(bǔ)償后，實(shí)現(xiàn)超短脈沖激光在焦點(diǎn)處的相干合束。

所述的高重頻飛秒激光源的最低重復(fù)頻率為系統(tǒng)所需控制的隨機(jī)擾動(dòng)源頻率的8~10倍。

所述的取樣模塊及聚焦模塊由數(shù)塊光學(xué)玻璃元件拼接而成或直接利用整塊光學(xué)玻璃元件，在對(duì)光束進(jìn)行傳輸?shù)耐瑫r(shí)不引入光束之間動(dòng)態(tài)誤差。

所述的監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)采集的遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)包含各子光束獨(dú)立的遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)和子光束之間合成的遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)。其中，各子光束獨(dú)立的遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)是對(duì)各子光束局部空間區(qū)域的光聚焦形成的與其它子光束相互獨(dú)立的遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)，用以反映和控制各子光束指向性的變化；子光束之間合成的遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)是對(duì)相鄰子光束的相鄰區(qū)域局部取光后利用同一元件聚焦獲得的相鄰子光束的合成遠(yuǎn)場(chǎng)，用以反映和控制相鄰子光束之間位相差的變化。

所述的監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)采集的光束之間譜干涉信號(hào)和子光束之間合成的遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)一起實(shí)現(xiàn)多擾動(dòng)源或大擾動(dòng)量情況下的光束之間同步探測(cè)。

所述的監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)運(yùn)行前需要根據(jù)焦點(diǎn)處的信號(hào)進(jìn)行預(yù)先標(biāo)定，確定運(yùn)行過(guò)程中監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)中的信號(hào)與焦點(diǎn)處信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而保證補(bǔ)償監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)處探測(cè)到的光束之間相對(duì)誤差可實(shí)現(xiàn)激光脈沖在焦點(diǎn)處的相干合束。

圖2為探測(cè)各子光束獨(dú)立的遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)和子光束之間合成的遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)的實(shí)施例。參與合束的光束1和光束2沿水平方向排布。利用光束1的局部空間區(qū)域S1的光聚焦得到的遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)反映光束1的指向，利用光束2的局部空間區(qū)域S2的光聚焦得到的遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)反映光束2的指向，利用光束1和光束2的相鄰區(qū)域S12的光聚焦得到的遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)反映光束1和光束2間的位相差。

誤差補(bǔ)償模塊由多個(gè)結(jié)構(gòu)相同的子單元組成，子單元個(gè)數(shù)為參與合成的光束數(shù)目減去1。圖3為參與合束的光束數(shù)目為N+1的誤差補(bǔ)償模塊實(shí)施例，其中子單元為C₁~C_N，總個(gè)數(shù)為N，每個(gè)子單元由4個(gè)反射鏡組成。沿著光束傳輸?shù)姆较?，前兩個(gè)反射鏡的鏡面呈90°排列，如子單元C₁中的反射鏡11和反射鏡12，組成延時(shí)線，用于補(bǔ)償光束之間同步誤差；后兩個(gè)反射鏡，如子單元C₁中的反射鏡13和反射鏡14，用于補(bǔ)償光束之間位相差，同時(shí)控制光束的指向，補(bǔ)償光束之間指向誤差。