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像传递技术在高功率准分子激光系统中的应用

2011-11-16 14:08
Hsiao Chen
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  大型高功率激光系统主要用来研究一些高温、高压、强辐射等瞬态极端条件下的物理过程,其中激光惯性约束聚变研究是相关应用的典型代表。高功率准分子激光系统在激光波长、靶面光强分布均匀性、系统可重复频率运行上较固体激光系统具有明显的优点,是目前开展直接驱动惯性约束聚变研究的主要驱动器,典型系统如美国海军实验室的Nike装置口 。

  像传递技术在高功率准分子激光系统中的应用

  自由运转的准分子激光是宽带输出,准分子激光放大器的气体工作介质与低饱和能量密度使得激光放大过程中的非线性效应很小,是高功率准分子激光系统能够使用像传递技术获得均匀靶面光强分布的主要原因。像传递技术包含照明光学系统和成像光学系统两个部分。尽管打靶光学系统也包含在成像光学系统中,但为了单独讨论打靶光学系统的特点,这里只讨论照明光学系统和像在各级激光放大器中传递的过程。

  一 照明方式与光束整形

  在任何一个对成像质量有明确要求的光学系统中,从阿贝成像理论可知,照明对系统的成像特性有非常重要的影响,必须将照明系统和成像光学系统一起考虑才能设计出满足要求的系统,这通常包含两个方面的含义:一是光源相对于聚光器的位置,即照明方式的选择;二是光源本身的性质,即光源的尺寸和相干性等,可以用光学不变量来衡量其总体性质。两种经常采用的照明方式是科勒照明和临界照明。由于要考虑各级激光放大器作为多束激光共同的孔径光阑,均采用科勒照明方式。为了保证光强的线性传输,一般要求光学系统的部分相干因子远大1。 即等效光源的尺寸为无限大,空间相干性很小。

  一般光学仪器的设计不考虑光源相干性对成像质量的影响。但是与普通的自然光源不同,虽然准分子激光模式数很多,仍具有很强的空问相干性,这使得准确计算像面的光强分布变得复杂,通常的做法是对准分子激光光源进行必要的光束形工作。美国海军实验室采用自由运转激光器辐照散射体,如同电影屏幕的作用,来获得宽带的空间非相干光源,并采用科勒照明来消除散射体光强不均匀的影响 。这种方法的缺点在于激光器的能量利用效率太低,从散射体输出的照明光能量在nJ量级,因此Ni—ke装置用7台放电泵浦的预放大器来获得足够的信号光能量。为了提高激光振荡器的能量利用效率,完全可以采用其它的光束整形方法,如利用透镜阵列和柱状波导结构,下图给出了一种用在光刻机照明的准分子激光光束整形光路:激光束经过镀有增透膜的随机相位板后耦合到光导管中进一步匀化,光导管的出口作为次级光源使用。实际上,即使是使用科勒照明方式,几乎没有不对光源的光强分布进行匀化而直接使用的。

图为使用激光光源的照明器光路示意图

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