專(zhuān)利名稱(chēng)：用于啁啾脈沖放大的光譜整形調(diào)制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于激光功率放大過(guò)程中的脈沖整形調(diào)制技術(shù)，特別涉及一種適用于大 口徑大能量高功率啁啾脈沖放大(CPA)系統(tǒng)的光譜整形調(diào)制新方法，屬于工程光學(xué)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在超短超強(qiáng)高功率激光技術(shù)中，許多因素限制了激光系統(tǒng)輸出功率的進(jìn)一步提高，其中 固體激光介質(zhì)的增益窄化和增益飽和效應(yīng)是一個(gè)較為棘手的問(wèn)題。增益窄化效應(yīng)是由于放大 介質(zhì)原子發(fā)射線(xiàn)有限寬，由于頻率牽引效應(yīng)，從而使輸出脈沖的頻譜變窄，這不但會(huì)導(dǎo)致脈 沖波形的畸變，而且還會(huì)使脈沖很難壓回到原來(lái)的寬度。而增益飽和效應(yīng)是導(dǎo)致啁啾脈沖產(chǎn) 生畸變的另一個(gè)重要原因，它是由于脈沖前沿消耗了放大介質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，導(dǎo)致放大脈沖 前沿的光強(qiáng)放大倍數(shù)大于后沿的光強(qiáng)放大倍數(shù)，從而使放大脈沖的波形前后沿不對(duì)稱(chēng)，因此 使放大脈沖得不到有效的放大，并使脈沖的頻譜產(chǎn)生紅移，引起脈沖畸變。在實(shí)際工作中， 為了補(bǔ)償CPA過(guò)程中產(chǎn)生的增益窄化和增益飽和效應(yīng)以及提高高功率激光輸出脈沖信噪比 (SNR)參數(shù)，需要利用光譜整形調(diào)制方法使放大前脈沖的光譜分布的中心波長(zhǎng)附近出現(xiàn)一定形 狀和大小的凹陷。在慣性約束核聚變(ICF)研究中，其物理實(shí)驗(yàn)對(duì)高功率激光輸出的脈沖參數(shù) 要求非?？量?，而且在神光II千焦拍瓦高功率放大系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，人們更加關(guān)心調(diào)制其相應(yīng)的 脈沖時(shí)空特性和光譜特性，其中對(duì)啁啾脈沖進(jìn)行光譜調(diào)制和光譜整形，目的主要是盡量消除 CPA過(guò)程中增益窄化效益和增益飽和效應(yīng)的影響，同時(shí)力圖提高高功率激光光束輸出的SNR 參數(shù)。如文獻(xiàn)[楚曉亮，張彬，蔡邦維等，"啁啾脈沖多程放大及其逆問(wèn)題的研究"，《物理 學(xué)報(bào)》，54(10)， 2005, 10， 4696-4701];[張彬，呂百達(dá)，"多級(jí)和多程脈沖激光放大器的逆 問(wèn)題"，《中國(guó)激光》，1997， 24(6)， 495-500];[王韜，范滇元，"高功率激光放大器脈沖的 整形設(shè)計(jì)"，《強(qiáng)激光與粒子數(shù)》，1999， 11(2)， 139-142];[黃小軍，魏曉峰，彭翰生等，"百 太瓦級(jí)超短脈沖激光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研制"，2004，四川光電子學(xué)會(huì)議。]
同樣由上述文獻(xiàn)還可知國(guó)際通用方法主要存在以下缺點(diǎn)1、在再生放大器中加入可調(diào)諧 空氣隙標(biāo)準(zhǔn)具來(lái)調(diào)整光譜，但這種調(diào)整較復(fù)雜，而且在神光II千焦拍瓦高功率放大系統(tǒng)中用 光參量啁啾脈沖放大技術(shù)(OPCPA)替代了再生放大器，因而不適用。2、使信號(hào)光源中心波長(zhǎng) 藍(lán)移，即相對(duì)于增益介質(zhì)中心波長(zhǎng)藍(lán)移，并且使長(zhǎng)波長(zhǎng)方向有較長(zhǎng)的脈沖沿，直接調(diào)整光譜，但是這種方法對(duì)超過(guò)太瓦級(jí)(1012)的系統(tǒng)不實(shí)用。3、長(zhǎng)波長(zhǎng)注入法，使增益窄化效益來(lái)補(bǔ)償 飽和效應(yīng)的影響，但這種方法又影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性。4、采用可編程聲光色散濾波器(A0PDF)， 雖然能提供較大的增益補(bǔ)償能力和較大的色散補(bǔ)償范圍，如中國(guó)工程物理研究院在國(guó)內(nèi)首次 引進(jìn)AOPDF，并成功用于星光百太瓦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。但是AOPDF的色分辨率僅能用于鈦寶石這樣 的寬帶啁啾脈沖系統(tǒng)，對(duì)于釹玻璃系統(tǒng)不適用。
同時(shí)注意到在大能量高功率條件下，透射介質(zhì)如濾光片和雙折射晶體，或有機(jī)選擇元件
如鉸鏈型有機(jī)聚合物調(diào)制均不適用，如文獻(xiàn)所述[朱鵬飛，楊鏡新，薛紹林，李美榮，林尊
琪，"超短脈沖的光譜整形"，中國(guó)激光，30(12)，2003, 1075:1078];[冷雨欣；林禮煌；徐至 展，"摻鈦藍(lán)寶石再生放大器的光譜整形"，光學(xué)學(xué)報(bào)，22(2)， 2002' 170: 174];以及專(zhuān)利 號(hào)ZL200410025678. 1和專(zhuān)利號(hào)ZL200410024684. 5的專(zhuān)利。
目前用于光譜整形的透射方法有l(wèi).利用干涉濾光片選擇透射，但存在原理和工程技術(shù) 上的困難，原理上易造成相位副作用，工程上由于目前的鍍膜工藝水平限制，濾波帶設(shè)計(jì)在 十幾個(gè)納米時(shí)，就無(wú)法有效控制透射率曲線(xiàn)的帶寬和中心凹陷的程度；而且光譜調(diào)制對(duì)入射 角精度要求高，且缺乏靈活性。2.利用雙折射率晶體組合鏡中尋常光和非常光干涉產(chǎn)生選擇 透射，但存在原理和工程上的困難， 一是透射式元件，會(huì)對(duì)通過(guò)它的激光產(chǎn)生副作用，例如 引起法布里-伯羅效應(yīng)、相位畸變等；二是雙折射晶體的厚度取決于待整形激光光束的光譜寬 度，激光的光譜越窄，要求晶體的厚度越厚；例如對(duì)13nm的超短脈沖整形，要求雙折射晶體 的厚度為25毫米，而雙折射晶體不可能做的很大。3.采用鉸鏈型有機(jī)聚合物波導(dǎo)或經(jīng)電暈極 化具有光電效應(yīng)的有機(jī)聚合物波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)選擇反射，但對(duì)于大能量高功率激光系統(tǒng)不適用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的正是針對(duì)上述所述現(xiàn)有技術(shù)中所存在的缺陷，提出一種適用于大能量高功 率激光啁啾脈沖放大(CPA)系統(tǒng)的光譜整形調(diào)制新方法，該方法采用改進(jìn)的切爾尼-特納光譜 儀器系統(tǒng)(Czerny-Turner Spectrum Instrument,簡(jiǎn)稱(chēng)CTSI系統(tǒng))，即采用CTSI光譜分解系 統(tǒng)與CTSI光譜合成系統(tǒng)，并采用光譜調(diào)制系統(tǒng)，先將啁啾脈沖完全真實(shí)展開(kāi)到光譜面，再在 像平面上進(jìn)行光譜調(diào)制和光譜整形，然后將調(diào)制后的光譜無(wú)畸變的還原為調(diào)制后的啁啾脈沖， 達(dá)到光譜調(diào)制整形目的。本發(fā)明克服了常規(guī)光譜調(diào)制國(guó)際通用方法要么是對(duì)超過(guò)太瓦級(jí)的系 統(tǒng)不適用、要么是對(duì)釹玻璃系統(tǒng)等窄帶系統(tǒng)不適用的問(wèn)題；本發(fā)明方法可對(duì)一般激光脈沖實(shí) 現(xiàn)光譜調(diào)制和光譜整形，尤其適用于幾個(gè)納米帶寬的大口徑大能量高功率激光啁啾脈沖放大 的光譜調(diào)制和光譜整形。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明采用由以下措施構(gòu)成的技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的 本發(fā)明用于啁啾脈沖放大的光譜整形調(diào)制方法，其特征在于，采用成對(duì)稱(chēng)的CTSI光譜分解系統(tǒng)與CTSI光譜合成系統(tǒng)，并采用光闌和平面光譜調(diào)制反射鏡構(gòu)成的光譜調(diào)制系統(tǒng)，先將 激光啁啾脈沖展開(kāi)到光譜面，再在像平面上進(jìn)行光譜調(diào)制，然后將調(diào)制后的光譜無(wú)畸變的還 原為調(diào)制后的啁啾脈沖，包括以下步驟
按設(shè)計(jì)光路順序描述來(lái)自CPA前端的激光光束經(jīng)第一凹面反射鏡變換后，依次經(jīng)由第 一光闌，第二凹面反射鏡，第一光柵，第三凹面反射鏡及第二光闌構(gòu)成的CTSI光譜分解系統(tǒng) 準(zhǔn)直、色散、成像；再經(jīng)由第二光鬧與其上的平面光譜調(diào)制反射鏡構(gòu)成的光譜調(diào)制系統(tǒng)調(diào)制； 然后經(jīng)由第四凹面反射鏡，第二光柵，第五凹面反射鏡及第三光闌構(gòu)成的CTSI光譜合成系統(tǒng) 成像、色散相減、合成；完成光譜分解、調(diào)制及合成的啁啾脈沖通過(guò)第三光闌出射，由第六 凹面反射鏡變換為平行光束，輸入到后級(jí)固體放大介質(zhì)中放大。
上述技術(shù)方案中，所述第一光柵，第二光柵均采用反射式定向平面閃耀光柵，且其位置 對(duì)稱(chēng)，所述色散相減時(shí)兩光柵轉(zhuǎn)動(dòng)方向應(yīng)滿(mǎn)足以下要求以逆向正常光路方向從CTSI光譜合 成系統(tǒng)追跡不同波長(zhǎng)光譜的排列，使這逆向光程在第二光闌孔徑面上形成光譜的排列方向與 CTSI光譜分解系統(tǒng)正向光程在第二光闌孔徑面上形成光譜排列的方向相同。
上述技術(shù)方案中，其特征在于，所述第一光闌和第三光闌均為實(shí)共焦望遠(yuǎn)鏡像傳遞照明 系統(tǒng)的孔徑光闌；所述照明系統(tǒng)由第一凹面反射鏡，第一光闌和第二凹面反射鏡構(gòu)成，或由 第六凹面反射鏡，第三光闌和第五凹面反射鏡構(gòu)成，在保證正常寬度要求的相干同相入射的 條件下，不改變來(lái)自CPA前端的激光束的時(shí)間和空間分布，照明系統(tǒng)相對(duì)孔徑與色散系統(tǒng)和 成像系統(tǒng)的相對(duì)孔徑匹配，且保證通光口徑能充滿(mǎn)色散系統(tǒng)的口徑；所述第二光闌為檔光板 與其在平面光譜調(diào)制反射鏡中的像構(gòu)成的狹縫光闌，所有光闌均應(yīng)滿(mǎn)足孔徑的正常寬度"。條
件，或CTSI光譜分解系統(tǒng)和CTSI光譜合成系統(tǒng)能達(dá)到的衍射半寬度f(wàn)l。條件，同時(shí)第二光闌
與第三光闌應(yīng)通過(guò)激光啁啾脈沖帶寬內(nèi)所有頻譜的光；所述光學(xué)元件全部選用相對(duì)色散元件 成對(duì)稱(chēng)型的成像系統(tǒng)，或者光學(xué)元件相對(duì)色散元件成不對(duì)稱(chēng)以補(bǔ)償像差的成像系統(tǒng);所述CTSI 光譜分解系統(tǒng)與CTSI光譜合成系統(tǒng)的準(zhǔn)直、成像系統(tǒng)的焦距相等，橫向放大率相等，或者 CTSI光譜合成系統(tǒng)與CTSI光譜分解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱(chēng)，并且以逆向正常光路方向從CTSI光 譜合成系統(tǒng)追跡的系統(tǒng)與CTSI光譜分解系統(tǒng)的準(zhǔn)直、成像系統(tǒng)的焦距對(duì)應(yīng)相等，橫向放大率 相等；所述凹面反射鏡均要求在整個(gè)工作波段內(nèi)嚴(yán)格消除色差、球差，彗差，像散和場(chǎng)曲， 使譜像面對(duì)于平面光譜調(diào)制反射鏡表面的最大偏離小于按瑞利準(zhǔn)則導(dǎo)出的半焦深容限。
上述技術(shù)方案中，所述平面光譜調(diào)制反射鏡釆用多層介質(zhì)膜微浮雕結(jié)構(gòu)的平面光譜調(diào)制 反射鏡；或微鏡結(jié)構(gòu)反射鏡；或液晶光閥；或前加變柵距光柵的反射鏡；或前加液晶空間光 調(diào)制器的反射鏡；或微機(jī)電薄膜反射鏡MIMS;或連續(xù)變形反射鏡；或Bimorph變形鏡；或棱鏡/波導(dǎo)耦合反射鏡；或變柵距光柵反射鏡。
用于啁啾脈沖放大的光譜整形調(diào)制方法，其特征在于，采用平面調(diào)制自準(zhǔn)直的CTSI光譜 分解系統(tǒng)與CTSI光譜合成系統(tǒng)，并采用光闌和平面光譜調(diào)制反射鏡構(gòu)成的光譜調(diào)制系統(tǒng)，先 將激光啁啾脈沖展開(kāi)到光譜面，再在像平面上進(jìn)行光譜調(diào)制，然后將調(diào)制后的光譜無(wú)畸變的 還原為調(diào)制后的啁啾脈沖，包括以下步驟
按設(shè)計(jì)光路順序描述來(lái)自CPA前端的激光光束經(jīng)第一分光棱鏡起偏，通過(guò)l/4波片及 第一凹面反射鏡變換后，依次經(jīng)由第一光闌，第二凹面反射鏡，第一光柵，第三凹面反射鏡 及第二光闌構(gòu)成的CTSI光譜分解系統(tǒng)準(zhǔn)直、色散、成像；再經(jīng)由第二光闌與其上的平面光譜 調(diào)制反射鏡構(gòu)成的光譜調(diào)制系統(tǒng)調(diào)制；之后調(diào)制反射光由中心對(duì)稱(chēng)凹面反射鏡反射，經(jīng)原路 返回到第二光闌及其上的平面光譜調(diào)制反射鏡再次調(diào)制，再返回到第三凹面反射鏡，準(zhǔn)直到 第一光柵形成色散相減的結(jié)構(gòu)，光束平行入射到第二凹面反射鏡聚焦到第一光闌構(gòu)成的CTSI 光譜合成系統(tǒng)成像、色散相減、合成；完成光譜分解、調(diào)制及合成的啁啾脈沖從第一光闌出 射；經(jīng)第一凹面反射鏡變換為平行光束，通過(guò)l/4波片后，偏振旋轉(zhuǎn)90度，在第一分光棱鏡 處全反射到與第一分光棱鏡垂直的第二分光棱鏡起偏，濾掉雜散光后，輸入到后級(jí)固體放大 介質(zhì)中放大。
上述技術(shù)方案中，所述第一光闌為實(shí)共焦望遠(yuǎn)鏡像傳遞照明系統(tǒng)的孔徑光闌所述照明 系統(tǒng)由第一凹面反射鏡，第一光闌和第二凹面反射鏡構(gòu)成，在保證正常寬度要求的相干同相 入射的條件下，不改變來(lái)自CPA前端的激光束的時(shí)間和空間分布，照明系統(tǒng)相對(duì)孔徑與色散 系統(tǒng)和成像系統(tǒng)的相對(duì)孔徑匹配，且保證通光口徑能充滿(mǎn)色散系統(tǒng)的口徑；所述第二光闌為 檔光板與其在平面光譜調(diào)制反射鏡中的像構(gòu)成的狹縫光闌，所有光闌均應(yīng)滿(mǎn)足孔徑的正常寬
度"n條件，或CTSI光譜分解系統(tǒng)和CTSI光譜合成系統(tǒng)能達(dá)到的衍射半寬度a。條件，同時(shí)第
二光闌與第三光闌應(yīng)通過(guò)激光啁啾脈沖帶寬內(nèi)所有頻譜的光；所述第一光柵采用反射式定向 平面閃耀光柵；所述凹面反射鏡均要求在整個(gè)工作波段內(nèi)嚴(yán)格消除色差、球差，彗差，像散 和場(chǎng)曲，使譜像面對(duì)于平面光譜調(diào)制反射鏡表面的最大偏離小于按瑞利準(zhǔn)則導(dǎo)出的半焦深容 限；所述光學(xué)元件全部選用相對(duì)色散元件成對(duì)稱(chēng)型的成像系統(tǒng)，或者光學(xué)元件相對(duì)色散元件 成不對(duì)稱(chēng)補(bǔ)償像差的成像系統(tǒng)。
上述技術(shù)方案中，所述平面光譜調(diào)制反射鏡采用多層介質(zhì)膜微浮雕結(jié)構(gòu)平面光譜調(diào)制反 射鏡；或微鏡結(jié)構(gòu)反射鏡；或液晶光閥；或前加變柵距光柵的反射鏡；或前加液晶空間光調(diào) 制器的反射鏡；或微機(jī)電薄膜反射鏡MIMS;或連續(xù)變形反射鏡；或Bimorph變形鏡；或棱鏡 /波導(dǎo)耦合反射鏡；或變柵距光柵反射鏡。用于啁啾脈沖放大的光譜整形調(diào)制方法，其特征在于，采用凹面調(diào)制自準(zhǔn)直的CTSI光譜 分解系統(tǒng)與CTSI光譜合成系統(tǒng)，并用凹面光譜調(diào)制反射鏡構(gòu)成光譜調(diào)制系統(tǒng)，先將激光啁啾 脈沖展開(kāi)到光譜面，再在像平面上進(jìn)行光譜調(diào)制，然后將調(diào)制后的光譜無(wú)畸變的還原為調(diào)制
后的啁啾脈沖，包括以下步驟
按設(shè)計(jì)光路順序描述來(lái)自CPA前端的激光光束經(jīng)第一分光棱鏡起偏，通過(guò)l/4波片及 第一凹面反射鏡變換后，依次經(jīng)由第一光偏，第二凹面反射鏡，第一光柵，第三凹面反射鏡 及凹面光譜調(diào)制反射鏡構(gòu)成的CTSI光譜分解系統(tǒng)準(zhǔn)直、色散、成像；經(jīng)由凹面光譜調(diào)制反射 鏡構(gòu)成的光譜調(diào)制系統(tǒng)調(diào)制；之后調(diào)制反射光又由凹面光譜調(diào)制反射鏡反射，經(jīng)原路返回到 第三凹面反射鏡，準(zhǔn)直到第一光柵形成色散相減的結(jié)構(gòu)，光束平行入射到第二凹面反射鏡聚 焦到第一光闌構(gòu)成的CTSI光譜合成系統(tǒng)成像、色散相減、合成；完成光譜分解、調(diào)制及合成 的啁啾脈沖從第一光闌出射，經(jīng)第一凹面反射鏡變換為平行光束，通過(guò)l/4波片后，偏振旋 轉(zhuǎn)90度，在第一分光棱鏡處全反射到與第一分光棱鏡垂直的第二分光棱鏡起偏，濾掉雜散光 后，輸入到后級(jí)固體放大介質(zhì)中放大。
上述技術(shù)方案中，所述第一光闌為實(shí)共焦望遠(yuǎn)鏡像傳遞照明系統(tǒng)的孔徑光闌；所述照明 系統(tǒng)由第一凹面反射鏡，第一光闌和第二凹面反射鏡構(gòu)成，在保證正常寬度要求的相干同相 入射的條件下，不改變來(lái)自CPA前端的激光束的時(shí)間和空間分布，照明系統(tǒng)相對(duì)孔徑與色散 系統(tǒng)和成像系統(tǒng)的相對(duì)孔徑匹配，且保證通光口徑能充滿(mǎn)色散系統(tǒng)的口徑；所述孔徑光闌應(yīng)
滿(mǎn)足孔徑的正常寬度^條件，或CTSI光譜分解系統(tǒng)和CTSI光譜合成系統(tǒng)能達(dá)到衍射半寬度
"。條件，同時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足通過(guò)激光啁啾脈沖帶寬內(nèi)所有頻譜的光；所述第一光柵采用反射式定向 平面閃耀光柵；所述凹面反射鏡均要求在整個(gè)工作波段內(nèi)嚴(yán)格消除色差、球差，彗差，像散 和場(chǎng)曲，使譜像面對(duì)于平面光譜調(diào)制反射鏡表面的最大偏離小于按瑞利準(zhǔn)則導(dǎo)出的半焦深容 限；所述光學(xué)元件全部選用相對(duì)色散元件成對(duì)稱(chēng)型的成像系統(tǒng)，或者光學(xué)元件相對(duì)色散元件 成不對(duì)稱(chēng)補(bǔ)償像差的成像系統(tǒng)。
上述技術(shù)方案中，所述凹面光譜調(diào)制及射鏡采用多層介質(zhì)膜微浮雕結(jié)構(gòu)凹面光譜調(diào)制反 射鏡；或微鏡結(jié)構(gòu)凹面反射鏡；或凹面液晶光閥；或前加變柵距光柵的凹面反射鏡；或前加 液晶空間光調(diào)制器的凹面反射鏡；或微機(jī)電薄膜凹面反射鏡MIMS;或連續(xù)變形凹面反射鏡； 或Bimorph凹面變形鏡；或棱鏡/波導(dǎo)耦合凹面反射鏡；或變柵距光柵凹面反射鏡。
本發(fā)明用于啁啾脈沖放大的光譜整形調(diào)制方法其基本思想是針對(duì)激光光譜，利用對(duì)稱(chēng) 型CTSI光譜分解系統(tǒng)將激光啁啾脈沖完全真實(shí)展開(kāi)到光譜面，利用光譜調(diào)制系統(tǒng)在像平面上 進(jìn)行光譜調(diào)制和光譜整形，然后利用對(duì)稱(chēng)型CTSI光譜合成系統(tǒng)將調(diào)制后的光譜無(wú)畸變的還原為調(diào)制后的啁啾脈沖，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)CPA系統(tǒng)中啁啾脈沖的光譜調(diào)制和光譜整形。由于利用改進(jìn) 了的對(duì)稱(chēng)型切爾尼-特納光譜分光系統(tǒng)與合成系統(tǒng)，使光譜調(diào)制具有調(diào)整靈活性。還選擇可在 大口徑大能量條件下工作的反射式定向平面閃耀光柵，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最好不工作在自準(zhǔn)直系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)條件下，以克服光柵伍德異常。選擇合理的排布結(jié)構(gòu)參數(shù)，準(zhǔn)直系統(tǒng)和成像系統(tǒng)的物鏡均選 擇凹面反射鏡，并且都要嚴(yán)格校正球差和慧差，使譜面對(duì)于光譜調(diào)制反射鏡面的最大偏離小 于按瑞利(Rayliegh)準(zhǔn)則導(dǎo)出的半焦深容限，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的型式上即對(duì)應(yīng)色散元件和二個(gè)作 為物鏡的凹面反射鏡的相對(duì)位置的設(shè)置來(lái)減小像散及彗差。
在實(shí)際工作中，為了補(bǔ)償CPA過(guò)程中產(chǎn)生的增益窄化和增益飽和效應(yīng)以及提高輸出脈沖 信噪比(SNR)參數(shù)，需要利用光譜整形調(diào)制方法使放大前脈沖的光譜分布的中心波長(zhǎng)附近出現(xiàn) 一定形狀和大小的凹陷。本發(fā)明實(shí)施例中，采用多層介質(zhì)膜微浮雕結(jié)構(gòu)光譜調(diào)制反射鏡，通 過(guò)選擇不同的膜系結(jié)構(gòu)參數(shù)可得到不同的多層介質(zhì)反射鏡的反射率曲線(xiàn)和相應(yīng)的光譜整形效 果。從而可補(bǔ)償啁啾脈沖放大過(guò)程中產(chǎn)生的增益窄化和增益飽和效應(yīng)。多層介質(zhì)膜微浮雕結(jié) 構(gòu)光譜調(diào)制反射鏡可以做到在中心光譜附近實(shí)現(xiàn)一定形狀和大小的幅度凹陷而相位保持不變 (見(jiàn)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?00710049516. 5和200720080292. X的專(zhuān)利申請(qǐng))。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下有益的效果和優(yōu)點(diǎn)
1. 本發(fā)明光譜整形調(diào)制方法利用改進(jìn)的CTSI系統(tǒng)，同時(shí)采用光譜調(diào)制反射鏡，將激光 啁啾脈沖分解、調(diào)制、再合成的方法，解決了長(zhǎng)期懸而未決的國(guó)際通用方法要么是對(duì)超過(guò)太 瓦的系統(tǒng)不實(shí)用、要么是對(duì)于釹玻璃系統(tǒng)等窄帶系統(tǒng)不適用的問(wèn)題。2. 本發(fā)明光譜整形調(diào)制方法采用了可在大口徑大能量條件下工作的反射式定向平面閃 耀光柵的色散系統(tǒng)，解決了 A0PDF的色分辨率僅能用于鈦寶石這樣的寬帶啁啾脈沖系統(tǒng)，對(duì) 于釹玻璃系統(tǒng)不適用的問(wèn)題。
3. 本發(fā)明光譜整形調(diào)制方法，通用性強(qiáng)，不僅適用于釹玻璃系統(tǒng)，也適用于鈦寶石系 統(tǒng)；如果使光柵繞通過(guò)光柵刻劃面的垂軸轉(zhuǎn)動(dòng)，就可很方便地改變調(diào)制光譜范圍。
4. 本發(fā)明光譜整形調(diào)制方法采用多層介質(zhì)膜微浮雕結(jié)構(gòu)光譜調(diào)制反射鏡，同時(shí)采用了 可在大口徑大能量條件下工作的反射式定向平面閃耀光柵，解決了大口徑光束反射光強(qiáng)的調(diào) 制問(wèn)題，且可以使其工作在高功率條件下。
5. 本發(fā)明光譜整形調(diào)制方法采用多層介質(zhì)膜微浮雕結(jié)構(gòu)光譜調(diào)制反射鏡，解決了啁啾 脈沖放大(CAP)中要求反射光相位一致的問(wèn)題，在保證相位不變的條件下，相對(duì)幅度調(diào)制超過(guò) 60%。
6. 本發(fā)明光譜整形調(diào)制方法不僅可以應(yīng)用于ICF激光驅(qū)動(dòng)器追求研制高功率固體激光
器的譜調(diào)整，而且可以用于一般激光脈沖實(shí)現(xiàn)光譜調(diào)制和光譜整形，尤其適用于幾個(gè)納米帶寬的大口徑大能量高功率CPA系統(tǒng)。
7.本發(fā)明采用實(shí)共焦望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的像傳遞系統(tǒng)來(lái)照明，具有在保證正常寬度要求的相干
同相入射的前提下，不改變輸入種子激光光束的時(shí)間和空間分布，聚光本領(lǐng)大，與色散系統(tǒng)
和成像系統(tǒng)的相對(duì)孔徑相匹配，且保證通光口徑能充滿(mǎn)色散系統(tǒng)的口徑等的特點(diǎn)。


圖1本發(fā)明對(duì)稱(chēng)型CTSI系統(tǒng)的光譜整形調(diào)制結(jié)構(gòu)示意圖2本發(fā)明自準(zhǔn)直平面光譜調(diào)制CTSI系統(tǒng)的光譜整形調(diào)制結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3本發(fā)明自準(zhǔn)直凹面光譜調(diào)制CTSI系統(tǒng)的光譜整形調(diào)制結(jié)構(gòu)示意圖4本發(fā)明經(jīng)光譜調(diào)制反射鏡調(diào)制后的光譜特性分布曲線(xiàn)圖5為圖1，圖2和圖3的光譜整形調(diào)制結(jié)構(gòu)調(diào)制后目標(biāo)脈沖波形。
圖中l(wèi)-第一凹面反射鏡；6-第一光闌；2-第二凹面反射鏡；3-第一光柵；4-第三凹面 反射鏡；5-平面光譜調(diào)制反射鏡；10-第二光闌；4'-第四凹面反射鏡；3'-第二光柵；2，-第五凹面反射鏡；6，-第三光闌；1'-第六凹面反射鏡；7-1/4波片；8-第一分光棱鏡；9_ 第二分光棱鏡；4"-中心對(duì)稱(chēng)凹面反射鏡；5'-凹面光譜調(diào)制反射鏡。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖、工作原理，并通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，但它僅用于說(shuō) 明本發(fā)明的一些具體的實(shí)施方式，而不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。
以下對(duì)本發(fā)明光譜整形調(diào)制方法的基本原理進(jìn)行描述 一、光譜分解系統(tǒng)
1、 照明系統(tǒng)
照明系統(tǒng)是用來(lái)盡可能多的匯聚光源射出的光能量，并傳遞給準(zhǔn)直系統(tǒng)。針對(duì)來(lái)自CPA 前端的種子脈沖，本發(fā)明采用實(shí)共焦望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的像傳遞系統(tǒng)來(lái)照明，其具有在保證正常寬 度要求的相干同相入射的前提下，不改變輸入種子激光光束的時(shí)間和空間分布，聚光本領(lǐng)大， 與色散系統(tǒng)和成像系統(tǒng)的相對(duì)孔徑相匹配，且保證通光口徑能充滿(mǎn)色散系統(tǒng)的口徑等的特點(diǎn)。
2、 準(zhǔn)直系統(tǒng)
本發(fā)明中光柵作為光譜分光和光譜合成元件均工作在平行光束中，因此，需要凹面反射 鏡變換。按照光路光學(xué)元件描述，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的輸入孔徑光闌出射的光由凹面反射鏡變換 為平行光束后照射到光柵面上，構(gòu)成準(zhǔn)直系統(tǒng)。 一般的準(zhǔn)直系統(tǒng)是由入射狹縫和準(zhǔn)直物鏡組 成，入射狹縫位于準(zhǔn)直物鏡的焦平面上。由于本發(fā)明采用激光照明，用像傳遞系統(tǒng)聚焦孔徑 光闌代替了入射狹縫。對(duì)于后面的系統(tǒng)而言，這一光闌的孔徑成為替代的實(shí)際的光源，限制 著進(jìn)入系統(tǒng)的光束。3、色散系統(tǒng)
色散系統(tǒng)的作用是將入射的復(fù)合光分解為光譜。由于光譜棱鏡色散率太小，而且存在固 有的譜面傾斜和畸變，故在啁啾脈沖放大(CPA)光譜整形系統(tǒng)中不選。多光束干涉如法布里-珀羅、陸木-蓋克平行板色散分辨率高，但由于不可閃耀，不能工作在大能量下，且光路不可 逆，故不選。凹面光柵，光路簡(jiǎn)單，但是由于制造困難，而且許可有效面積小，像質(zhì)差、像 散大，同時(shí)線(xiàn)色散率不均勻，故不選。光譜濾光片由于是透射元件，不能工作在大能量條件 下，而且有相位副作用，故不選。階梯光柵元件分辨率極高，但加工極其困難，而且自由光 譜范圍非常狹小，故不選。因而本發(fā)明選擇了可在大口徑大能量條件下工作的反射式定向平 面閃耀光柵。
(1) 分解光譜光柵分解原理
根據(jù)光線(xiàn)在主截面內(nèi)入射和衍射可得相鄰兩光線(xiàn)干涉極大值的條件確定的光柵方程式
4(sinor,+3111/9》二/W)義 (1)
式中，",為分解光譜光柵入射角；A為分解光譜光柵衍射角；《為分解光譜光柵刻痕間距，
通常稱(chēng)為光柵常數(shù)；^為光譜級(jí)次，為整數(shù)；A為波長(zhǎng)，可改寫(xiě)上式為
A (A) = arcsin("^1 - sin ) (2)
《
由式(2)明顯地看出，當(dāng)光柵的光柵常數(shù)4及入射角^一定時(shí)，除零級(jí)外，在確定的光譜級(jí)
次"中，波長(zhǎng);i愈長(zhǎng)的光束衍射角愈大。這樣，不同波長(zhǎng)的同一級(jí)主最大，自零級(jí)開(kāi)始向左
右兩側(cè)按波長(zhǎng)次序由短波向長(zhǎng)波散開(kāi)。在實(shí)際的光柵衍射圖樣中，由于總的刻線(xiàn)數(shù)目很大， 所以主最大對(duì)應(yīng)的角寬度很小，在光柵后面的成像物鏡焦面上就形成非常明銳的細(xì)亮線(xiàn)——譜線(xiàn)。
(2) 合成光譜光柵合成原理
以幾何光學(xué)描述如下不同波長(zhǎng)的同一級(jí)主最大是，自零級(jí)開(kāi)始向左右兩側(cè)按波長(zhǎng)次序
由短波向長(zhǎng)波按光譜分布散開(kāi)的單色光，以各色衍射角々(;i)會(huì)聚入射到光柵上，光柵能將它
按波長(zhǎng)在空間進(jìn)行光譜合成，這同樣是由于多縫衍射和干涉的結(jié)果。光柵產(chǎn)生的合成光強(qiáng)， 其位置是由各色多級(jí)衍射圖樣中的主最大條件決定的。通常以反射式定向光柵作為光譜合成
器件。對(duì)于合成光譜光柵，光線(xiàn)在主截面內(nèi)入射和衍射的光柵方程式同樣為
d2(sin(22 +sin々2)=附2義 (3)式中，"2為合成光譜光柵入射角；A為合成光譜光柵衍射角；《為合成光譜光柵刻痕
間距，稱(chēng)為光柵常數(shù)；附2為合成光譜光柵光譜級(jí)次，為整數(shù)。若不考慮能量損失，即假設(shè)全
部衍射光以匯聚球面波參與合成時(shí)，由(2)式代入(3)式即= ^(;i)方程式變?yōu)?br> '義
c/2 (sin(arcsin("^--sin q)) ■+ sin爲(wèi))=附2義 (4)
《
當(dāng)《二《，且附2二OT!時(shí)，式(4)為
sin y^2= sin "j (5)
在主值范圍(0， "/2)，式(5)為
-2=^ (6)
由式(4)、式(5)和式(6)明顯地看出，當(dāng)一束匯聚的各單色光以各色衍射角 A(;i)-arcsin(^-sincO入射到合成光譜光柵上，當(dāng)合成光譜光柵的光柵常數(shù)與分解光譜光
柵的光柵常數(shù)相同時(shí)，即^=《，且合成與分解光譜級(jí)次相對(duì)應(yīng)，即m,-m,，且光柵工作在
閃耀條件下，即主值范圍在(0,;r/2)，能將光譜按波長(zhǎng)在空間進(jìn)行光譜合成，使各色光出射
角A(A)等于光譜分解時(shí)的入射角",，即各色光出射角為常數(shù)。這同樣是由于多縫衍射和干 涉的結(jié)果。通常以光柵集中90%以上能量的第一級(jí)衍射光譜的單色光實(shí)現(xiàn)光譜合成，光柵產(chǎn)
生的合成光強(qiáng)，其位置是由各色多級(jí)衍射圖樣中的主最大條件決定，有^=^。因此通常以 反射式定向平面閃耀光柵作為光譜合成器件。
以鍍金斜坡面刻劃反射式定向平面閃耀光柵為例，確定合成光柵幾何參數(shù)反射式定向
平面閃耀光柵刻痕斷面A的幾何參數(shù)定義為槽面寬度b，光柵槽形角為t，光柵常數(shù)為d;根
據(jù)集中光能量于預(yù)定的某一光譜級(jí)次的要求，應(yīng)使所要求的衍射方向和斷面A的反射光，即
零級(jí)主極大方向重合，表示為
2sinZxos( 2(A)-0 = (7) 同時(shí)根據(jù)將光柵的零級(jí)主極大方向，置于槽面寬度為b的斷面A作為單縫時(shí)其第一衍射
極小的方向上，也就是下式
2 sin f cos("2 (義))=— (8) 根據(jù)式(1) 一 (6)所確定的光譜級(jí)次、波長(zhǎng)和入射角，則由式(7)和式(8)可以計(jì)
14算出刻劃定向光柵時(shí)斷面參數(shù)(6，c/力。平面光柵閃耀的一般條件，即付閃耀條件，應(yīng)滿(mǎn)足下 式
<formula>formula see original document page 15</formula>
式中，t為光柵槽形角，即刻槽面與光柵平面的夾角，或槽面法線(xiàn)n與光柵平面法線(xiàn)n 的夾角，也稱(chēng)光柵閃耀角；當(dāng)光柵工作在利特羅自準(zhǔn)直系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，即"2=>92="即主衍
射條件時(shí)，有下式 <formula>formula see original document page 15</formula>(10) 根據(jù)上述原理設(shè)計(jì)的光柵實(shí)驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果看，光柵伍德異常與入射光的偏振有關(guān)， 一般 在^<0.8的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，且光柵用于自準(zhǔn)直系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一級(jí)時(shí)發(fā)生。因?yàn)榈谝患?jí)衍射效率最 高，自由光譜寬度最大，通常使用第一級(jí)衍射，因此，光柵最好不工作在自準(zhǔn)直系統(tǒng)結(jié)構(gòu)條
件下，以消除光柵伍德異常。對(duì)非利特羅系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，閃耀方向?yàn)?lt;formula>formula see original document page 15</formula> (ii)
和付閃耀條件下閃耀波長(zhǎng)為<formula>formula see original document page 15</formula>(12) 2 2 c/j
式中，《為入射光與衍射光的夾角，^,4分別為閃耀方向和付閃耀條件下閃耀波長(zhǎng)。
由式(11)和式(12)可見(jiàn)，只要中心波長(zhǎng)閃耀，附近的波長(zhǎng)也能近似為閃耀輸出，只是衍射效 率相對(duì)降低一點(diǎn)。因此，合成光柵與分解光柵一樣，選擇對(duì)中心波長(zhǎng)閃耀的反射式定向平面 閃耀光柵。
對(duì)于合成光譜光柵的嚴(yán)格波動(dòng)理論證明為譜面上光譜分布位置為(-/，凡)，譜面位于
準(zhǔn)直物鏡的前焦面-/，譜面上光譜單色光垂直位置為凡，衍射光柵位于準(zhǔn)直物鏡的后焦面
(/,0)。使中心波長(zhǎng)位于光軸上，它的-1級(jí)干涉主極大與槽面衍射主極大重合，零級(jí)干涉主
極大剛好落在槽面衍射的+1級(jí)零值極小上；使其它波長(zhǎng)位于準(zhǔn)直物鏡光軸的兩側(cè)，它們的-1 級(jí)干涉主極大與中心波長(zhǎng)光譜的槽面衍射主極大重合；同時(shí)使光柵平面法線(xiàn)與物鏡光軸的夾 角為衍射光柵槽形角t的一半，d取lum左右，t^光束在近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)均能很好地疊加在一起； 其輸出光束的半角寬度小，光強(qiáng)大，衍射效率高，更能有效地利用入射光能量。這樣的頻譜 合成，可以達(dá)到近衍射極限的光束質(zhì)量，且衍射光柵槽形角t越小，光束半寬度越小。4、成像系統(tǒng)
成像系統(tǒng)的作用是將空間上色散開(kāi)的各波長(zhǎng)的光束會(huì)聚在成像物鏡的焦平面上，形成一 系列的按波長(zhǎng)排列的頻譜的單色像。由于被研究的對(duì)象不同，其成像有三種情況線(xiàn)光譜、 帶光譜或連續(xù)光譜。對(duì)啁啾脈沖的分解、調(diào)制和合成，光譜在啁啾范圍內(nèi)是連續(xù)光譜或是一 級(jí)的帶狀光譜。
成像系統(tǒng)的另一個(gè)作用是矯正彗差和像散。成像系統(tǒng)中球差是無(wú)法用調(diào)整的辦法來(lái)消除 的，必須在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，將光學(xué)元件校正到象差容限以?xún)?nèi)。用凹面反射鏡作為準(zhǔn)直、成像物 鏡時(shí)，為了校正球差可以采用拋物面凹面反射鏡。然而彗差則可以將準(zhǔn)直和成像兩個(gè)物鏡一 起考慮，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)型的排布來(lái)加以校正，本發(fā)明采用色散元件和兩個(gè)作為物鏡的凹面反 射鏡的相對(duì)位置來(lái)減小彗差。同樣，采用凹面反射鏡作為準(zhǔn)直物鏡和成像物鏡時(shí)，也無(wú)法從 選擇物鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)上來(lái)減小像散，但可采用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的型式即色散元件和二個(gè)物鏡的相對(duì) 位置的設(shè)置減小像散。
二、 光譜調(diào)制系統(tǒng)
由光闌和光譜調(diào)制反射鏡構(gòu)成光譜調(diào)制系統(tǒng)。由成像物鏡成像于光譜調(diào)制反射鏡面上， 由于光譜調(diào)制反射鏡采用多層介質(zhì)微浮雕結(jié)構(gòu)的光譜調(diào)制反射鏡，其寶塔型微浮雕結(jié)構(gòu)外側(cè) 為高反射膜系，寶塔型微浮雕結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)為增透膜系結(jié)構(gòu)。其中，高反射膜系結(jié)構(gòu)是為了實(shí)現(xiàn) 對(duì)啁啾脈沖經(jīng)光柵后的衍射光場(chǎng)進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制，從而達(dá)到光譜整形目的，而增透膜系寶塔型 結(jié)構(gòu)是為了增加光譜調(diào)制的靈活性而加入的。寶塔型結(jié)構(gòu)的不同臺(tái)階所對(duì)應(yīng)光譜調(diào)制反射鏡 面上的橫向空間位置即為利用光譜調(diào)制反射鏡進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制的空間位置?？梢宰龅皆谥行墓?譜附近實(shí)現(xiàn)幅度凹陷而相位保持不變，將其反射光強(qiáng)分布調(diào)制到所需光譜分布結(jié)構(gòu)，如圖4 給出了在中心波長(zhǎng)附近處進(jìn)行不同深度光譜調(diào)制的結(jié)果，圖4中曲線(xiàn)1為輸入啁啾脈沖光譜 分布；曲線(xiàn)2為光譜整形多層介質(zhì)微浮雕結(jié)構(gòu)反射鏡的反射調(diào)制曲線(xiàn)；曲線(xiàn)3為整形后脈沖 光譜分布。通過(guò)合理設(shè)計(jì)膜系結(jié)構(gòu)參數(shù)和有效控制加工精度，可使放大前的啁啾脈沖經(jīng)光譜 整形多層介質(zhì)微浮雕結(jié)構(gòu)反射鏡反射后，其光譜分布在中心波長(zhǎng)附近出現(xiàn)不同調(diào)制形狀和調(diào) 制深度的凹陷，如圖5所示。
三、 光譜合成系統(tǒng)
由前述合成光譜光柵合成原理可知，不同波長(zhǎng)的同一級(jí)主最大是，自零級(jí)開(kāi)始向左右兩
側(cè)，按波長(zhǎng)次序由短波向長(zhǎng)波按光譜分布散開(kāi)的單色光，以各色衍射角A(/l)會(huì)聚入射到光柵
上，光柵能將它按波長(zhǎng)在空間進(jìn)行光譜合成。在光譜合成系統(tǒng)光路上描述如下光譜調(diào)制反 射鏡的出射光作為光譜合成系統(tǒng)的入射光，來(lái)自光譜調(diào)制反射鏡的反射光經(jīng)準(zhǔn)直鏡變換為平行光照射到光柵上，成像、色散相減和合成，在經(jīng)成像凹面反射鏡成像在出射光闌處，至此 構(gòu)成一個(gè)完整的光譜合成單元，即CTSI光譜合成系統(tǒng)。光譜合成系統(tǒng)，是由光譜調(diào)制反射鏡以后的對(duì)稱(chēng)成像系統(tǒng)和色散系統(tǒng)構(gòu)成，其特點(diǎn)是光 譜合成系統(tǒng)與光譜分解系統(tǒng)成對(duì)稱(chēng)成像；與光譜分解系統(tǒng)一致成色散相減的系統(tǒng)；通常要求 各色光線(xiàn)光程差為零，即附加剩余色散為零。因此設(shè)計(jì)CTSI光譜合成系統(tǒng)與CTSI光譜分解 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完全相同、對(duì)稱(chēng)，即所述CTSI光譜分解系統(tǒng)與CTSI光譜合成系統(tǒng)的準(zhǔn)直、成像系 統(tǒng)的焦距相等，橫向放大率相等，或者CTSI光譜合成系統(tǒng)與CTSI光譜分解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完全對(duì) 稱(chēng)，并且以逆向正常光路方向從CTSI光譜合成系統(tǒng)追跡的系統(tǒng)與CTSI光譜分解系統(tǒng)的準(zhǔn)直、 成像系統(tǒng)的焦距對(duì)應(yīng)相等，橫向放大率相等。在所有光闌及其像的寬度相等的條件下，可以 使剩余色散相減為零。四、 光闌設(shè)計(jì)原理根據(jù)使球差和彗差造成在焦平面上的彌散斑直徑2dr'，或是在色散方向的彌散寬度a'小 于確定的數(shù)值為判據(jù)，并以判據(jù)值a。作為孔徑的正常寬度或衍射半寬度確定入射光闌大小。a。"丄^ (13)2A'或者a'《a。 (14)為了使通過(guò)CTSI光譜分解系統(tǒng)的光束全部順利地通過(guò)CTSI光譜合成系統(tǒng)，CTSI光譜分 解系統(tǒng)的出瞳必須與CTSI光譜合成系統(tǒng)的入瞳相重合，也就是說(shuō)，第一個(gè)色散元件中心發(fā)出 的光束必須通過(guò)第二個(gè)色散元件的中心。CTSI光譜分解系統(tǒng)和CTSI光譜合成系統(tǒng)的中間光闌與出射光闌不應(yīng)對(duì)光束有任何限制， 即應(yīng)通過(guò)激光啁啾脈沖帶寬內(nèi)所有頻譜的光；色散相減的CTSI光譜分解系統(tǒng)和CTSI光譜合 成系統(tǒng)， 一般采用色散全消的形式；譜線(xiàn)的寬度決定于入射光闌與中間光闌的寬度，中間光 闌的寬度與出射光闌的寬度要求分別滿(mǎn)足A^^+A (15)a3 2 y、 +62 (16)式中q %和"3分別為入射光闌的孔徑、中間光闌的孔徑和出射光闌的孔徑大??；6,,62為入射光闌的孔徑^在中間光闌和出射光闌的孔徑"2, "3上的像差寬度。五、 準(zhǔn)直成像系統(tǒng)的象差容限在光學(xué)設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)CTSI光譜分解系統(tǒng)與CTSI光譜合成系統(tǒng)單獨(dú)完成像差校正，使CTSI光譜合成系統(tǒng)與CTSI光譜分解系統(tǒng)的像差都在容限范圍以?xún)?nèi)，才能保證系統(tǒng)總像差的要求。 光學(xué)系統(tǒng)象差校正的要求可概括為l)在整個(gè)視場(chǎng)范圍內(nèi)使光譜面平直；2)在整個(gè)光譜面上 譜線(xiàn)聚焦清晰，譜線(xiàn)輪廓對(duì)稱(chēng)；3)沿譜線(xiàn)高度方向強(qiáng)度分布均勻。CTSI光譜合成系統(tǒng)與CTSI 光譜分解系統(tǒng)的準(zhǔn)直系統(tǒng)是小相對(duì)孔徑、小視場(chǎng)系統(tǒng)；成像系統(tǒng)則是小相對(duì)孔徑、中等視場(chǎng)系統(tǒng)。對(duì)象差校正的參數(shù)要求則可歸納為準(zhǔn)直系統(tǒng)和成像系統(tǒng)的物鏡都要嚴(yán)格校正球差和彗 差。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)， 一般都采用瑞利準(zhǔn)則作為象差容限。所謂瑞利(Rayliegh)準(zhǔn)則，就是由剩余 球差、剩余彗差所產(chǎn)生的最大波象差應(yīng)當(dāng)小于A(yíng)/4。按照軸向象差和波象差的關(guān)系，可以得 到凹面反射鏡的球差和彗差的容限如下軸向球差(17)偏離正弦條件<formula>formula see original document page 18</formula>
式中，D為有效光闌孔徑，在CTSI光譜分解系統(tǒng)和CTSI光譜合成系統(tǒng)中就是色散元件 的有效寬度；/'為物鏡的焦距；入為選定的光線(xiàn)波長(zhǎng)；/為邊緣主光線(xiàn)或邊緣譜線(xiàn)到光軸的距離。在本發(fā)明中都是采用凹面反射鏡作為準(zhǔn)直物鏡和成像物鏡，不能組合以校正球差。需要 分別消除球差時(shí)，可采用非球面鏡。但因?yàn)閽佄锩骁R的初級(jí)彗差比球面鏡的大，多數(shù)用球面 鏡。如果系統(tǒng)中只能采用球面鏡時(shí)，則只能控制相對(duì)孔徑來(lái)使球差的彌散圓直徑小于孔徑的 正常寬度容限"。。而彗差則可以?xún)蓚€(gè)物鏡一起考慮，本發(fā)明是通過(guò)改進(jìn)的CTSI系統(tǒng)并通過(guò)控制相對(duì)孔徑可將彗差校正到趨近于零。校直光譜面使譜面對(duì)于光譜調(diào)制反射鏡面的最大偏離小于按瑞利(Rayliegh)準(zhǔn)則導(dǎo)出的半焦深容限-<formula>formula see original document page 18</formula>
式中，AF為焦深，通常準(zhǔn)直和成像系統(tǒng)的色差對(duì)譜面的彎曲起著決定性的作用。 一般 可使用準(zhǔn)直和成像系統(tǒng)物鏡的色差和子午場(chǎng)曲相互補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)獲得平直的譜面。但是本發(fā) 明中，因?yàn)楣鈻诺臋M向放大率隨波長(zhǎng)的變化不大，不能采用上述相互補(bǔ)償?shù)姆椒āＲ虼藘蓚€(gè)系統(tǒng)的物鏡都要嚴(yán)格消色差，為此本發(fā)明采用凹面反射鏡作為準(zhǔn)直和成像系統(tǒng)物鏡。減小象散因?yàn)椴捎冒济娣瓷溏R作為準(zhǔn)直物鏡和成像物鏡，同樣無(wú)法從物鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)上來(lái)減小象散。本發(fā)明通過(guò)改進(jìn)的CTSI系統(tǒng)并通過(guò)控制相對(duì)孔徑減小象散。 實(shí)施例l:本實(shí)施例中，第一光柵3，第二光柵3'為可在大口徑大能量條件下工作的反射式定向平 面閃耀光柵；平面光譜調(diào)制反射鏡為多層介質(zhì)膜微浮雕結(jié)構(gòu)的平面光譜調(diào)制反射鏡；所有凹 面反射鏡均要嚴(yán)格消除色差、球差，彗差，使譜像面對(duì)于平面光譜調(diào)制反射鏡表面的最大偏 離小于按瑞利準(zhǔn)則導(dǎo)出的半焦深容限；第一光闌6和第三光闌6'均為孔徑光闌，第二光闌IO 為檔光板與其在平面光譜調(diào)制反射鏡5中的像構(gòu)成的狹縫光闌；第一光闌6為入射光闌，第 二光闌10為中間光闌，第三光闌6'為出射光闌。按圖1所示對(duì)稱(chēng)型CTSI系統(tǒng)的光譜整形調(diào)制結(jié)構(gòu)光路圖布置好光學(xué)元件本實(shí)例采用成對(duì)稱(chēng)的CTSI光譜分解系統(tǒng)與CTSI光譜合成系統(tǒng)，并采用第二光闌10和光 譜調(diào)制反射鏡5構(gòu)成的光譜調(diào)制系統(tǒng)，利用CTSI光譜分解系統(tǒng)先將激光啁啾脈沖完全真實(shí)展 開(kāi)到光譜面，利用光譜調(diào)制系統(tǒng)在像平面上進(jìn)行光譜調(diào)制，然后利用CTSI光譜合成系統(tǒng)將調(diào) 制后的光譜無(wú)畸變的還原為調(diào)制后的啁啾脈沖，來(lái)實(shí)現(xiàn)啁啾脈沖放大的光譜調(diào)制和光譜整形。對(duì)稱(chēng)型CTSI光譜分解系統(tǒng)按設(shè)計(jì)光路順序描述，來(lái)自CPA前端的激光光束，通過(guò)由第 一凹面反射鏡1和第二凹面反射鏡2組成的像傳遞系統(tǒng)，在第一光闌6處聚焦，因此照明系 統(tǒng)由第一凹面反射鏡l，第一光闌6和第二凹面反射鏡2構(gòu)成，第一光闌成為本光譜整形調(diào) 制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的輸入孔徑光闌，激光光束經(jīng)第二凹面反射鏡2變換后為平行光束照射到第一光 柵3，構(gòu)成準(zhǔn)直系統(tǒng)。由于采用激光照明，這里用像傳遞系統(tǒng)第一光闌6代替了一般CTSI系 統(tǒng)入射狹縫。對(duì)于后面的系統(tǒng)而言，第一光闌6的孔徑成為替代的實(shí)際光源，限制著進(jìn)入對(duì) 稱(chēng)型光譜整形調(diào)制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的光束。由第一光闌6的孔徑發(fā)出的光束經(jīng)準(zhǔn)直物鏡第二凹面反 射鏡2后變成平行光束投向由第一光柵3構(gòu)成的色散系統(tǒng)。接著衍射光經(jīng)第三凹面反射鏡4 成像在第二光闌10的孔徑處，至此構(gòu)成一個(gè)完整的CTSI光譜分解系統(tǒng)。CTSI光譜分解系統(tǒng) 以光路順序表示為6-2-3-4-5。光譜調(diào)制系統(tǒng):由第二光闌10與其上的多層介質(zhì)膜微浮雕結(jié)構(gòu)平面光譜調(diào)制反射鏡5構(gòu) 成光譜調(diào)制系統(tǒng)，平面光譜調(diào)制反射鏡5由于采用多層介質(zhì)膜微浮雕結(jié)構(gòu)的平面光譜調(diào)制反 射鏡，可以做到在中心光譜附近實(shí)現(xiàn)幅度凹陷而相位保持不變；光譜調(diào)制系統(tǒng)要求譜像面對(duì) 于平面光譜調(diào)制反射鏡表面的最大偏離小于按瑞利(Rayliegh)準(zhǔn)則導(dǎo)出的半焦深容限，在焦平面上的彌散斑直徑2dr'，或是在色散方向的彌散寬度a'小于確定的數(shù)值"。。平面光譜調(diào)制反射鏡其反射光強(qiáng)分布則可調(diào)制到所需光譜分布結(jié)構(gòu)，如圖4所示曲線(xiàn)給出了在中心波長(zhǎng)附 近處進(jìn)行不同深度光譜調(diào)制的結(jié)果，圖4中，曲線(xiàn)1為輸入啁啾脈沖光譜分布；曲線(xiàn)2為光 譜整形多層介質(zhì)微浮雕結(jié)構(gòu)反射鏡的反射調(diào)制曲線(xiàn)；曲線(xiàn)3為整形后脈沖光譜分布。對(duì)稱(chēng)型CTSI光譜合成系統(tǒng)為第二光闌10以后的對(duì)稱(chēng)成像系統(tǒng)和色散系統(tǒng)。此CTSI光 譜合成系統(tǒng)中由第六凹面反射鏡l'，第三光闌6'和第五凹面反射鏡2'構(gòu)成照明系統(tǒng)，由平面 光譜調(diào)制反射鏡5，第四凹面反射鏡4'，第二光柵3'，第五凹面反射鏡2'，第三光闌6'構(gòu)成 一個(gè)完整的CTSI光譜合成系統(tǒng)。CTSI光譜合成系統(tǒng)以光路順序表示為5-4'-3'-2'-6';其特 點(diǎn)是CTSI光譜合成系統(tǒng)5-4'-3'-2'-6'與上述的CTSI光譜分解系統(tǒng)6-2-3-4-5 —致成色散相 減的系統(tǒng)，即轉(zhuǎn)動(dòng)第一光柵3與第二光柵3'的相對(duì)方向滿(mǎn)足以下要求以逆向正常光路方向 從CTSI光譜合成系統(tǒng)追跡不同波長(zhǎng)光譜的排列，使這逆向光程在第二光闌10孔徑面上形成 光譜的排列方向與CTSI光譜分解系統(tǒng)正向光程在第二光闌10孔徑面上形成光譜排列的方向 相同；可使各色光線(xiàn)光程差為零，即剩余色散為零。最后完成光譜分解、調(diào)制及合成的啁啾脈沖由第三光闌6'的孔徑輸出，經(jīng)第六凹面反射 鏡l'變換為平行光輸入到后級(jí)固體放大介質(zhì)中放大；應(yīng)用于ICF激光驅(qū)動(dòng)器追求研制高功率 固體激光器的譜調(diào)整。通過(guò)對(duì)稱(chēng)型CTSI系統(tǒng)的光譜整形調(diào)制結(jié)構(gòu)調(diào)制后得到所需光譜分布結(jié) 構(gòu)，如圖5所示，其光譜整形調(diào)制結(jié)果為在1053nm中心波長(zhǎng)附近在保證相位不變的條件下， 控制中心凹陷大小形狀程度，相對(duì)幅度調(diào)制可達(dá)60%。本實(shí)施中，所述的平面光譜調(diào)制反射鏡5可以替換為微鏡結(jié)構(gòu)反射鏡；或液晶光閥；或 前加變柵距光柵的反射鏡；或前加液晶空間光調(diào)制器的反射鏡；或微機(jī)電薄膜反射鏡MIMS: 或連續(xù)變形反射鏡；或Bimorph變形鏡；或棱鏡/波導(dǎo)耦合反射鏡；或變柵距光柵反射鏡，調(diào) 制方法與本實(shí)施例一樣，同樣可以實(shí)現(xiàn)啁啾脈沖放大的光譜調(diào)制和光譜整形，并得到所需光譜分布結(jié)構(gòu)。 實(shí)施例2:本實(shí)施例中，第一光柵3為可在大口徑大能量條件下工作的反射式定向平面閃耀光柵； 光譜調(diào)制反射鏡為多層介質(zhì)膜微浮雕結(jié)構(gòu)的平面光譜調(diào)制反射鏡；所有凹面反射鏡均要嚴(yán)格 消除色差、球差，彗差，使譜像面對(duì)于平面光譜調(diào)制反射鏡表面的最大偏離小于按瑞利準(zhǔn)則 導(dǎo)出的半焦深容限；第一光闌6為孔徑光闌，第二光闌IO為檔光板與其在平面光譜調(diào)制反射 鏡5中的像構(gòu)成的狹縫光闌；第一光闌6為入射光闌，第二光闌10為中間光闌，第一光闌6 為入射光闌同時(shí)也為出射光闌。按圖2所示自準(zhǔn)直平面光譜調(diào)制CTSI系統(tǒng)的光譜整形調(diào)制結(jié)構(gòu)光路圖布置好光學(xué)元件本實(shí)例是采用自準(zhǔn)直平面光譜調(diào)制的CTSI光譜分解系統(tǒng)與CTSI光譜合成系統(tǒng)，并采用平面光譜調(diào)制反射鏡5構(gòu)成的光譜調(diào)制系統(tǒng)，利用CTSI光譜分解系統(tǒng) 先將激光啁啾脈沖展開(kāi)到光譜面，利用光譜調(diào)制系統(tǒng)在像平面上進(jìn)行光譜調(diào)制，然后利用CTSI 光譜合成系統(tǒng)將調(diào)制后的光譜無(wú)畸變的還原為調(diào)制后的啁啾脈沖，來(lái)實(shí)現(xiàn)啁啾脈沖光譜調(diào)制和光譜整形。自準(zhǔn)直調(diào)制平面光譜調(diào)制CTSI光譜分解系統(tǒng)按設(shè)計(jì)光路順序描述如下，來(lái)自CPA前端 的激光光束經(jīng)第一分光棱鏡8起偏，以布魯斯特角入射的p光通過(guò)1/4波片7，再通過(guò)第一 凹面反射鏡1和第二凹面反射鏡2組成的像傳遞系統(tǒng)，在第一光闌6處聚焦，因此照明系統(tǒng) 由第一凹面反射鏡l，第一光闌6和第二凹面反射鏡2構(gòu)成，第一光闌成為本光譜整形調(diào)制 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的輸入孔徑光闌，光束經(jīng)第二凹面反射鏡2變換后為平行光束照射到第一光柵3面 上，構(gòu)成準(zhǔn)直系統(tǒng)。由于采用激光照明這里用像傳遞系統(tǒng)第一光闌6代替了入射狹縫。對(duì)于 后面的系統(tǒng)而言，第一光闌6的孔徑成為替代的實(shí)際的光源，限制著進(jìn)入自準(zhǔn)直平面光譜調(diào) 制光譜整形調(diào)制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的光束。由第一光闌6的孔徑發(fā)出的光束經(jīng)準(zhǔn)直物鏡第二凹面反射 鏡2后變成平行光束投向由第一光柵3構(gòu)成的色散系統(tǒng)，接著衍射光經(jīng)第三凹面反射鏡4成 像在第二光闌10的孔徑處，至此構(gòu)成一個(gè)完整的CTSI光譜分解系統(tǒng)。CTSI光譜分解系統(tǒng)以 光路順序表示為6-2-3-4-5 。光譜調(diào)制系統(tǒng)由第二光闌10與其上的多層介質(zhì)膜微浮雕結(jié)構(gòu)平面光譜調(diào)制反射鏡5構(gòu) 成的光譜調(diào)制系統(tǒng)，平面光譜調(diào)制反射鏡5由于采用多層介質(zhì)膜微浮雕結(jié)構(gòu)的平面光譜調(diào)制 反射鏡，可以做到在中心光譜附近實(shí)現(xiàn)幅度凹陷而相位保持不變；光譜調(diào)制系統(tǒng)要求譜像面 對(duì)于平面光譜調(diào)制反射鏡表面的最大偏離小于按瑞利(Rayliegh)準(zhǔn)則導(dǎo)出的半焦深容限，在焦平面上的彌散斑直徑2dr',或是在色散方向的彌散寬度a'小于確定的數(shù)值a。。平面光譜調(diào)制反射鏡其反射光強(qiáng)分布則調(diào)制到所需光譜分布結(jié)構(gòu)，如圖4所示曲線(xiàn)給出了在中心波長(zhǎng)附 近處進(jìn)行不同深度光譜調(diào)制的結(jié)果，圖4中，曲線(xiàn)1為輸入啁啾脈沖光譜分布；曲線(xiàn)2為光 譜整形多層介質(zhì)微浮雕結(jié)構(gòu)反射鏡的反射調(diào)制曲線(xiàn)；曲線(xiàn)3為整形后脈沖光譜分布。自準(zhǔn)直平面光譜調(diào)制CTSI光譜合成系統(tǒng)經(jīng)平面調(diào)制反射鏡5的反射光由中心對(duì)稱(chēng)凹面 反射鏡4"反射后再經(jīng)原路返回，這樣的系統(tǒng)類(lèi)似自準(zhǔn)直成像系統(tǒng)和色散系統(tǒng)。其特點(diǎn)是光路 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，而且與利特羅(Littrow)系統(tǒng)不同，反射光通過(guò)前面的CTSI光譜分解系統(tǒng) 6-2-3-4-5時(shí)，為一致成色散相減的光譜合成系統(tǒng)即調(diào)制反射光由中心對(duì)稱(chēng)凹面反射鏡4" 反射，經(jīng)原路返回到第二光闌10及其上的平面光譜調(diào)制反射鏡5再次調(diào)制，再原路返回到第 三凹面反射鏡4，準(zhǔn)直到第一光柵3形成色散相減的結(jié)構(gòu)，光束平行入射到第二凹面反射鏡2 再聚焦到第一光闌6構(gòu)成CTSI光譜合成系統(tǒng)；CTSI光譜合成系統(tǒng)以光路順序表示為4"-5-4-3-2-6。經(jīng)CTSI光譜合成系統(tǒng)合成后的光束從第一光闌6出射；經(jīng)第一凹面反射鏡1 變換為平行光束，完成光譜分解、調(diào)制及合成的啁啾脈沖通過(guò)1/4波片7后，偏振旋轉(zhuǎn)90度， 在第一分光棱鏡8處全反射到與第一分光棱鏡垂直的第二分光棱鏡9起偏，濾掉雜散光后， 輸入到后級(jí)固體放大介質(zhì)中放大；應(yīng)用于ICF激光驅(qū)動(dòng)器追求研制高功率固體激光器的譜調(diào) 整。由于光線(xiàn)經(jīng)原路返回中，可以使剩余色散相減為零。通過(guò)自準(zhǔn)直平面光譜調(diào)制光譜整形 調(diào)制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)調(diào)制后得到所需光譜分布結(jié)構(gòu)，如圖5所示，其光譜整形調(diào)制結(jié)果為，在1053nm 中心波長(zhǎng)附近在保證相位不變的條件下，控制中心凹陷大小形狀程度，相對(duì)幅度調(diào)制達(dá)60%。 本實(shí)施中，所述的平面光譜調(diào)制反射鏡5可以替換為微鏡結(jié)構(gòu)反射鏡；或液晶光閥；或 前加變柵距光柵的反射鏡；或前加液晶空間光調(diào)制器的反射鏡；或微機(jī)電薄膜反射鏡MIMS; 或連續(xù)變形反射鏡；或Bimorph變形鏡；或棱鏡/波導(dǎo)耦合反射鏡；或變柵距光柵反射鏡，調(diào) 制方法與本實(shí)施例一樣，同樣可以實(shí)現(xiàn)啁啾脈沖放大的光譜調(diào)制和光譜整形，并得到所需光譜分布結(jié)構(gòu)。 實(shí)施例3:本實(shí)施例中，第一光柵3為可在大口徑大能量條件下工作的反射式定向平面閃耀光柵； 光譜調(diào)制反射鏡為多層介質(zhì)膜微浮雕結(jié)構(gòu)的凹面光譜調(diào)制反射鏡；所用凹面反射鏡均要嚴(yán)格 消除色差、球差，彗差，使譜像面對(duì)于凹面光譜調(diào)制反射鏡表面的最大偏離小于按瑞利準(zhǔn)則 導(dǎo)出的半焦深容限；第一光闌6為孔徑光闌，同樣也為入射光闌，還為出射光闌。按圖3所示自準(zhǔn)直凹面光譜調(diào)制CTSI系統(tǒng)光譜整形調(diào)制結(jié)構(gòu)光路圖布置好光學(xué)元件本實(shí)例是采用自準(zhǔn)直凹面光譜調(diào)制的CTSI光譜分解系統(tǒng)與CTSI光譜合成系統(tǒng)，并用凹 面光譜調(diào)制反射鏡5'構(gòu)成的光譜調(diào)制系統(tǒng)，利用CTSI光譜分解系統(tǒng)先將激光啁啾脈沖展開(kāi) 到光譜面，利用光譜調(diào)制系統(tǒng)在像平面上進(jìn)行光譜調(diào)制，然后利用CTSI光譜合成系統(tǒng)將調(diào)制 后的光譜無(wú)畸變的還原為調(diào)制后的啁啾脈沖，來(lái)實(shí)現(xiàn)啁啾脈沖光譜調(diào)制和光譜整形。自準(zhǔn)直凹面光譜調(diào)制CTSI光譜分解系統(tǒng)按光路順序描述如下來(lái)自CPA前端的激光光束經(jīng)第一分光棱鏡8起偏，以布魯斯特角入射的p光通過(guò)1/4波片7，再通過(guò)第一凹面反射鏡1和第二凹面反射鏡2組成的像傳遞系統(tǒng)，在第一光闌6處聚焦，因此照明系統(tǒng)由第一凹面反射鏡l，第一光闌6和第二凹面反射鏡2構(gòu)成，第一光闌成為本光譜整形調(diào)制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的輸入孔徑光闌，光束經(jīng)第二凹面反射鏡2變換后為平行光束照射到第一光柵3面上，構(gòu)成準(zhǔn)直系統(tǒng)。由于采用激光照明這里用像傳遞系統(tǒng)第一光闌6代替了入射狹縫。對(duì)于后面的系統(tǒng)而言，第一光闌6的孔徑成為替代的實(shí)際的光源，限制著進(jìn)入自準(zhǔn)直凹面光譜調(diào)制光譜整形調(diào)制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的光束。由第一光闌6的孔徑發(fā)出的光束經(jīng)準(zhǔn)直物鏡第二凹面反射鏡2后變成平行光束投向由第一光柵3構(gòu)成的色散系統(tǒng)，接著衍射光經(jīng)第三凹面反射鏡4成像在凹面凹面光譜調(diào)制反射鏡5'上，至此構(gòu)成一個(gè)完整的CTSI光譜分解系統(tǒng)。CTSI光譜分解系統(tǒng)以 光路順序表示為6-2-3-4-5'。光譜調(diào)制系統(tǒng)，凹面光譜調(diào)制反射鏡5'這里采用在凹面反射鏡上鍍制的高、低折射率交 替的微浮雕結(jié)構(gòu)介質(zhì)多層膜，多層介質(zhì)調(diào)制凹面反射鏡可以做到在中心光譜附近實(shí)現(xiàn)幅度凹 陷而相位保持不變。光譜調(diào)制系統(tǒng)要求譜像面對(duì)于凹面光譜調(diào)制反射鏡5'表面的最大偏離小 于按瑞利(Rayliegh)準(zhǔn)則導(dǎo)出的半焦深容限，在凹面光譜調(diào)制反射鏡5'表面的彌散斑直徑2dr'，或是在色散方向的彌散寬度a'小于確定的數(shù)值a。。凹面光譜調(diào)制反射鏡5'其反射光強(qiáng)分布則調(diào)制到所需光譜分布結(jié)構(gòu)，如圖4所示曲線(xiàn)給出了在中心波長(zhǎng)附近處進(jìn)行不同深度光 譜調(diào)制的結(jié)果，圖4中，曲線(xiàn)1為輸入啁啾脈沖光譜分布；曲線(xiàn)2為光譜整形多層介質(zhì)微浮 雕結(jié)構(gòu)反射鏡的反射調(diào)制曲線(xiàn)；曲線(xiàn)3為整形后脈沖光譜分布。自準(zhǔn)直凹面光譜調(diào)制CTSI光譜合成系統(tǒng)經(jīng)凹面光譜調(diào)制反射鏡5'的調(diào)制反射光原路返 回，這樣的系統(tǒng)類(lèi)似自準(zhǔn)直成像系統(tǒng)和色散系統(tǒng)。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊。而且與利特羅 (Littrow)系統(tǒng)不同，反射光通過(guò)前面的CTSI光譜分解系統(tǒng)6-2-3-4-5'時(shí)，光線(xiàn)傳輸一致成 色散相減的系統(tǒng)。按光路描述如下來(lái)自凹面光譜調(diào)制反射鏡5'的調(diào)制反射光，又由凹面光 譜調(diào)制反射鏡5'反射，經(jīng)原路返回到第三凹面反射鏡4,準(zhǔn)直到第一光柵3形成色散相減的 結(jié)構(gòu)，光束平行入射到第二凹面反射鏡2再聚焦到第一光闌6構(gòu)成一個(gè)完整的CTSI光譜合成 系統(tǒng)；該系統(tǒng)以光路順序表示為5'-4-3-2-6。經(jīng)CTSI光譜合成系統(tǒng)合成后的光束從第一光 闌6出射，經(jīng)第一凹面反射鏡1變換為平行光束，完成光譜分解、調(diào)制及合成的啁啾脈沖通 過(guò)1/4波片7后，偏振旋轉(zhuǎn)90度，在第一分光棱鏡8處全反射到與第一分光棱鏡垂直的第二 分光棱鏡9起偏，濾掉雜散光后，輸入到后級(jí)固體放大介質(zhì)中放大。應(yīng)用于ICF激光驅(qū)動(dòng)器 追求研制高功率固體激光器的譜調(diào)整。由凹面光譜調(diào)制反射鏡5'反射的光經(jīng)原路返回到第三 凹面反射鏡4，成像到色散系統(tǒng)，呈自準(zhǔn)直系統(tǒng)。由于光線(xiàn)經(jīng)原路返回中，可以使剩余色散 相減為零。通過(guò)自準(zhǔn)直凹面光譜調(diào)制光譜整形調(diào)制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)調(diào)制后得到所需光譜分布結(jié)構(gòu)， 如圖5所示，其光譜整形調(diào)制結(jié)果為，在1053nm中心波長(zhǎng)附近在保證相位不變的條件下，控 制中心凹陷大小形狀程度，相對(duì)幅度調(diào)制可達(dá)60%。本實(shí)例中，所述的凹面光譜調(diào)制反射鏡5'可以替換為微鏡結(jié)構(gòu)凹面反射鏡；或凹面液晶 光闊；或前加變柵距光柵的凹面反射鏡；或前加液晶空間光調(diào)制器的凹面反射鏡；或微機(jī)電 薄膜凹面反射鏡MIMS;或連續(xù)變形凹面反射鏡；或Bimorph凹面變形鏡；或棱鏡/波導(dǎo)耦合 凹面反射鏡；或變柵距光柵凹面反射鏡，調(diào)制方法與本實(shí)施例一樣，同樣可以實(shí)現(xiàn)啁啾脈沖 放大的光譜調(diào)制和光譜整形，并得到所需光譜分布結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種用于啁啾脈沖放大的光譜整形調(diào)制方法，其特征在于，采用成對(duì)稱(chēng)的CTSI光譜分解系統(tǒng)與CTSI光譜合成系統(tǒng)，并采用光闌和平面光譜調(diào)制反射鏡構(gòu)成的光譜調(diào)制系統(tǒng)，先將激光啁啾脈沖展開(kāi)到光譜面，再在像平面上進(jìn)行光譜調(diào)制，然后將調(diào)制后的光譜無(wú)畸變的還原為調(diào)制后的啁啾脈沖，包括以下步驟按設(shè)計(jì)光路順序描述來(lái)自CPA前端的激光光束經(jīng)第一凹面反射鏡(1)變換為平行光后，依次經(jīng)由第一光闌(6)，第二凹面反射鏡(2)，第一光柵(3)，第三凹面反射鏡(4)及第二光闌(10)構(gòu)成的CTSI光譜分解系統(tǒng)準(zhǔn)直、色散、成像；再經(jīng)由第二光闌(10)與其上的平面光譜調(diào)制反射鏡(5)構(gòu)成的光譜調(diào)制系統(tǒng)調(diào)制；然后經(jīng)由第四凹面反射鏡(4′)，第二光柵(3′)，第五凹面反射鏡(2′)及第三光闌(6′)構(gòu)成的CTSI光譜合成系統(tǒng)成像、色散相減、合成；完成光譜分解、調(diào)制及合成的啁啾脈沖通過(guò)第三光闌(6′)出射，由第六凹面反射鏡(1′)變換為平行光束，輸入到后級(jí)固體放大介質(zhì)中放大。
1. 一種用于啁啾脈沖放大的光譜整形調(diào)制方法，其特征在于，采用成對(duì)稱(chēng)的CTSI光譜 分解系統(tǒng)與CTSI光譜合成系統(tǒng)，并采用光闌和平面光譜調(diào)制反射鏡構(gòu)成的光譜調(diào)制系統(tǒng)，先 將激光啁啾脈沖展開(kāi)到光譜面，再在像平面上進(jìn)行光譜調(diào)制，然后將調(diào)制后的光譜無(wú)畸變的 還原為調(diào)制后的啁啾脈沖，包括以下步驟-按設(shè)計(jì)光路順序描述來(lái)自CPA前端的激光光束經(jīng)第一凹面反射鏡(1)變換為平行光后， 依次經(jīng)由第一光闌(6)，第二凹面反射鏡(2)，第一光柵(3)，第三凹面反射鏡(4)及第二光闌 (IO)構(gòu)成的CTSI光譜分解系統(tǒng)準(zhǔn)直、色散、成像；再經(jīng)由第二光闌(10)與其上的平面光譜調(diào) 制反射鏡(5)構(gòu)成的光譜調(diào)制系統(tǒng)調(diào)制；然后經(jīng)由第四凹面反射鏡(4')，第二光柵(3')，第五 凹面反射鏡(2')及第三光闌(6')構(gòu)成的CTSI光譜合成系統(tǒng)成像、色散相減、合成；完成光譜 分解、調(diào)制及合成的啁啾脈沖通過(guò)第三光闌(6')出射，由第六凹面反射鏡(l')變換為平行光束， 輸入到后級(jí)固體放大介質(zhì)中放大。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光譜整形調(diào)制方法，其特征在于，所述第一光柵(3),第二光 柵(3')均采用反射式定向平面閃耀光柵，且其位置對(duì)稱(chēng)，所述色散相減時(shí)兩光柵轉(zhuǎn)動(dòng)方向應(yīng) 滿(mǎn)足以下要求以逆向正常光路方向從CTSI光譜合成系統(tǒng)追跡不同波長(zhǎng)光譜的排列，使這逆 向光程在第二光闌(10)孔徑面上形成光譜的排列方向與CTSI光譜分解系統(tǒng)正向光程在第二 光闌(10)孔徑面上形成光譜排列的方向相同。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光譜整形調(diào)制方法，其特征在于，所述第一光闌(6)和第三光 闌(6')均為實(shí)共焦望遠(yuǎn)鏡像傳遞照明系統(tǒng)的孔徑光闌；所述照明系統(tǒng)由第一凹面反射鏡(l)， 第一光闌(6)和第二凹面反射鏡(2)構(gòu)成，或由第六凹面反射鏡(l')，第三光闌(6')和第五凹面 反射鏡(2')構(gòu)成，在保證正常寬度要求的相干同相入射的條件下，不改變來(lái)自CPA前端的激 光束的時(shí)間和空間分布，照明系統(tǒng)相對(duì)孔徑與色散系統(tǒng)和成像系統(tǒng)的相對(duì)孔徑匹配，且保證 通光口徑能充滿(mǎn)色散系統(tǒng)的口徑；所述第二光闌(10)為檔光板與其在平面光譜調(diào)制反射鏡(5)中的像構(gòu)成的狹縫光闌，所有光闌均應(yīng)滿(mǎn)足孔徑的正常寬度a。條件，或CTSI光譜分解系統(tǒng)和CTSI光譜合成系統(tǒng)能達(dá)到的衍射半寬度"。條件，同時(shí)第二光闌(10)與第三光闌(6')應(yīng)通過(guò)激光啁啾脈沖帶寬內(nèi)所有頻譜的光；所述光學(xué)元件全部選用相對(duì)色散元件成對(duì)稱(chēng)型的成像系統(tǒng)， 或者光學(xué)元件相對(duì)色散元件成不對(duì)稱(chēng)以補(bǔ)償像差的成像系統(tǒng);所述CTSI光譜分解系統(tǒng)與CTSI 光譜合成系統(tǒng)的準(zhǔn)直、成像系統(tǒng)的焦距相等，橫向放大率相等，或者CTSI光譜合成系統(tǒng)與 CTSI光譜分解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱(chēng)，并且以逆向正常光路方向從CTSI光譜合成系統(tǒng)追跡的系統(tǒng)與CTSI光譜分解系統(tǒng)的準(zhǔn)直、成像系統(tǒng)的焦距對(duì)應(yīng)相等，橫向放大率相等；所述凹面反射 鏡均要求在整個(gè)工作波段內(nèi)嚴(yán)格消除色差、球差，彗差，像散和場(chǎng)曲，使譜像面對(duì)于平面光 譜調(diào)制反射鏡表面的最大偏離小于按瑞利準(zhǔn)則導(dǎo)出的半焦深容限。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光譜整形調(diào)制方法，其特征在于，所述平面光譜調(diào)制反射鏡采 用多層介質(zhì)膜微浮雕結(jié)構(gòu)的平面光譜調(diào)制反射鏡；或微鏡結(jié)構(gòu)反射鏡；或液晶光閥；或前加 變柵距光柵的反射鏡；或前加液晶空間光調(diào)制器的反射鏡；或^[機(jī)電薄膜反射鏡MIMS;或連 續(xù)變形反射鏡；或Bimorph變形鏡；或棱鏡/波導(dǎo)耦合反射鏡；或變柵距光柵反射鏡。
5. —種用于啁啾脈沖放大的光譜整形調(diào)制方法，其特征在于，采用平面調(diào)制自準(zhǔn)直的 CTSI光譜分解系統(tǒng)與CTSI光譜合成系統(tǒng)，并采用光闌和平面光譜調(diào)制反射鏡構(gòu)成的光譜調(diào) 制系統(tǒng)，先將激光啁啾脈沖展開(kāi)到光譜面，再在像平面上進(jìn)行光譜調(diào)制，然后將調(diào)制后的光 譜無(wú)畸變的還原為調(diào)制后的啁啾脈沖，包括以下步驟按設(shè)計(jì)光路順序描述來(lái)自CPA前端的激光束經(jīng)第一分光棱鏡(8)起偏，通過(guò)l/4波片 (7)及第一凹面反射鏡(1)變換后，依次經(jīng)由第一光闌(6)，第二凹面反射鏡(2)，第一 光柵(3)，第三凹面反射鏡(4)及第二光闌(10)構(gòu)成的CTSI光譜分解系統(tǒng)準(zhǔn)直、色散、成像；再經(jīng)由第二光闌(10)與其上的平面光譜調(diào)制反射鏡(5)構(gòu)成的光譜調(diào)制系統(tǒng)調(diào)制；之后調(diào)制反射光由中心對(duì)稱(chēng)凹面反射鏡(4")反射，經(jīng)原路返回到第二光闌(10)及其上的平面光譜 調(diào)制反射鏡(5)再次調(diào)制，再返回到第三凹面反射鏡(4)，準(zhǔn)直到第一光柵(3)形成色散 相減的結(jié)構(gòu)，光束平行入射到第二凹面反射鏡(2)聚焦到第一光闌(6)構(gòu)成CTSI光譜合成 系統(tǒng)成像、色散相減、合成；完成光譜分解、調(diào)制及合成的啁啾脈沖從第一光闌(6)出射；經(jīng) 第一凹面反射鏡(1)，通過(guò)l/4波片(7),在第一分光棱鏡(8)處全反射到第二分光棱鏡(9) 起偏后，輸入到后級(jí)固體放大介質(zhì)中放大。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的光譜整形調(diào)制方法，其特征在于，所述第一光闌(6)為實(shí)共焦 望遠(yuǎn)鏡像傳遞照明系統(tǒng)的孔徑光闌；所述照明系統(tǒng)由第一凹面反射鏡(l)，第一光闌(6)和第 二凹面反射鏡(2)構(gòu)成，在保證正常寬度要求的相干同相入射的條件下，不改變來(lái)自CPA前端 的激光束的時(shí)間和空間分布，照明系統(tǒng)相對(duì)孔徑與色散系統(tǒng)和成像系統(tǒng)的相對(duì)孔徑匹配，且 保證通光口徑能充滿(mǎn)色散系統(tǒng)的口徑；所述第二光闌(10)為檔光板與其在平面光譜調(diào)制反射鏡(5)中的像構(gòu)成的狹縫光闌，所有光闌均應(yīng)滿(mǎn)足孔徑的正常寬度"。條件，或CTSI光譜分解 系統(tǒng)和CTSI光譜合成系統(tǒng)能達(dá)到的衍射半寬度"。條件，同時(shí)第二光闌(10)與第三光闌(6')應(yīng)通過(guò)激光啁啾脈沖帶寬內(nèi)所有頻譜的光；所述第一光柵(3)采用反射式定向平面閃耀光柵；所 述凹面反射鏡均要求在整個(gè)工作波段內(nèi)嚴(yán)格消除色差、球差，彗差，像散和場(chǎng)曲，使譜像面對(duì)于平面光譜調(diào)制反射鏡表面的最大偏離小于按瑞利準(zhǔn)則導(dǎo)出的半焦深容限；所述光學(xué)元件 全部選用相對(duì)色散元件成對(duì)稱(chēng)型的成像系統(tǒng)，或者光學(xué)元件相對(duì)色散元件成不對(duì)稱(chēng)補(bǔ)償像差 的成像系統(tǒng)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的光譜整形調(diào)制方法，其特征在于，所述平面光譜調(diào)制反射鏡采 用多層介質(zhì)膜微浮雕結(jié)構(gòu)的平面光譜調(diào)制反射鏡；或微鏡結(jié)構(gòu)反射鏡；或液晶光閥；或前加 變柵距光柵的反射鏡；或前加液晶空間光調(diào)制器的反射鏡；或微機(jī)電薄膜反射鏡MIMS;或連 續(xù)變形反射鏡；或Bimorph變形鏡；或棱鏡/波導(dǎo)耦合反射鏡；或變柵距光柵反射鏡。
8. —種用于啁啾脈沖放大的光譜整形調(diào)制方法，其特征在于，采用凹面調(diào)制自準(zhǔn)直的 CTSI光譜分解系統(tǒng)與CTSI光譜合成系統(tǒng)，并采用凹面光譜調(diào)制反射鏡構(gòu)成光譜調(diào)制系統(tǒng)， 先將激光啁啾脈沖展開(kāi)到光譜面，再在像平面上進(jìn)行光譜調(diào)制，然后將調(diào)制后的光譜無(wú)畸變 的還原為調(diào)制后的啁啾脈沖，包括以下步驟按設(shè)計(jì)光路順序描述來(lái)自CPA前端的激光光束經(jīng)第一分光棱鏡(8)起偏，通過(guò)l/4波 片(7)及第一凹面反射鏡(1)變換后，依次經(jīng)由第一光闌(6)，第二凹面反射鏡(2)，第 一光柵(3)，第三凹面反射鏡(4)及凹面光譜調(diào)制反射鏡(5')構(gòu)成的CTSI光譜分解系統(tǒng) 準(zhǔn)直、色散、成像；經(jīng)由凹面光譜調(diào)制反射鏡(5')構(gòu)成的光譜調(diào)制系統(tǒng)調(diào)制；之后調(diào)制反 射光又由凹面光譜調(diào)制反射鏡(5')反射，經(jīng)原路返回到第三凹面反射鏡(4)，準(zhǔn)直到第一 光柵(3)形成色散相減的結(jié)構(gòu)，光束平行入射到第二凹面反射鏡(2)聚焦到第一光闌(6) 構(gòu)成的CTSI光譜合成系統(tǒng)成像、色散相減、合成；完成光譜分解、調(diào)制及合成的啁啾脈沖從 第一光闌(6)出射，經(jīng)第一凹面反射鏡(1)，通過(guò)l/4波片(7)，在第一分光棱鏡(8)處全反 射到第二分光棱鏡(9)起偏后，輸入到后級(jí)固體放大介質(zhì)中放大。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的光譜整形調(diào)制方法，其特征在于，所述第一光闌(6)為實(shí)共焦 望遠(yuǎn)鏡像傳遞照明系統(tǒng)的孔徑光闌；所述照明系統(tǒng)由第一凹面反射鏡(l)，第一光闌(6)和第 二凹面反射鏡(2)構(gòu)成，在保證正常寬度要求的相干同相入射的條件下，不改變來(lái)自CPA前端 的激光束的時(shí)間和空間分布，照明系統(tǒng)相對(duì)孔徑與色散系統(tǒng)和成像系統(tǒng)的相對(duì)孔徑匹配，且保證通光口徑能充滿(mǎn)色散系統(tǒng)的口徑；所述孔徑光闌應(yīng)滿(mǎn)足孔徑的正常寬度^條件，或CTSI光譜分解系統(tǒng)和CTSI光譜合成系統(tǒng)能達(dá)到衍射半寬度"。條件，同時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足通過(guò)激光啁啾脈沖 帶寬內(nèi)所有頻譜的光；所述第一光柵(3)釆用反射式定向平面閃耀光柵；所述凹面反射鏡均要 求在整個(gè)工作波段內(nèi)嚴(yán)格消除色差、球差，彗差，像散和場(chǎng)曲，使譜像面對(duì)于平面光譜調(diào)制 反射鏡表面的最大偏離小于按瑞利準(zhǔn)則導(dǎo)出的半焦深容限；所述光學(xué)元件全部選用相對(duì)色散 元件成對(duì)稱(chēng)型的成像系統(tǒng)，或者光學(xué)元件相對(duì)色散元件成不對(duì)稱(chēng)補(bǔ)償像差的成像系統(tǒng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光譜整形調(diào)制方法，其特征在于，所述凹面光譜調(diào)制反射鏡 采用多層介質(zhì)膜微浮雕結(jié)構(gòu)的凹面光譜調(diào)制反射鏡；或微鏡結(jié)構(gòu)凹面反射鏡；或凹面液晶光 閥；或前加變柵距光柵的凹面反射鏡；或前加液晶空間光調(diào)制器的凹面反射鏡；或微機(jī)電薄 膜凹面反射鏡MIMS;或連續(xù)變形凹面反射鏡；或Bimorph凹面變形鏡；或棱鏡/波導(dǎo)耦合凹 面反射鏡；或變柵距光柵凹面反射鏡。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于啁啾脈沖放大(CPA)系統(tǒng)的光譜整形調(diào)制方法。該方法在光譜調(diào)制整形過(guò)程中，采用改進(jìn)的CTSI系統(tǒng)，即采用成對(duì)稱(chēng)的CTSI光譜分解系統(tǒng)和CTSI光譜合成系統(tǒng)，并采用光譜調(diào)制系統(tǒng)；利用CTSI光譜分解系統(tǒng)先將激光啁啾脈沖完全真實(shí)展開(kāi)到光譜面，再利用光譜調(diào)制系統(tǒng)在像平面上進(jìn)行光譜調(diào)制，然后利用CTSI光譜合成系統(tǒng)將調(diào)制后的光譜無(wú)畸變的還原為調(diào)制后的啁啾脈沖，達(dá)到啁啾脈沖光譜調(diào)制整形的目的。本發(fā)明方法可對(duì)一般激光脈沖實(shí)現(xiàn)光譜調(diào)制和光譜整形，尤其適用于幾個(gè)納米帶寬的大口徑大能量高功率啁啾脈沖放大系統(tǒng)的光譜調(diào)制和光譜整形。
文檔編號(hào)G02B17/06GK101231385SQ200810044818
公開(kāi)日2008年7月30日 申請(qǐng)日期2008年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月26日
發(fā)明者彬 張, 戴亞平, 銘 李, 韜 王 申請(qǐng)人:四川大學(xué)