本發(fā)明涉及一種避免透鏡紫外激光損傷的裝置及方法，特別是涉及到激光光束口徑大且能量密度高時(shí)的激光三倍頻頻率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域以及激光損傷領(lǐng)域，如慣性約束聚變驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在當(dāng)前的慣性約束激光驅(qū)動(dòng)器中，基頻激光經(jīng)倍頻晶體、和頻晶體之后產(chǎn)生的高能量紫外激光必須經(jīng)熔石英聚透鏡聚焦打靶。紫外激光的能量高至兆焦耳，熔石英聚焦透鏡極易發(fā)生紫外激光輻照損傷的問題限制了激光驅(qū)動(dòng)器能量的進(jìn)一步提升，成為工程應(yīng)用中的瓶頸。

當(dāng)前，在不降低輸出紫外激光能量的前提下，避免熔石英聚焦透鏡激光損傷的方法通常是提高熔石英熔煉、加工質(zhì)量，或通過激光預(yù)處理提升熔石英透鏡的損傷閾值。但是這些方法的提升幅度有限，仍然無法滿足工程指標(biāo)要求。

中國專利文件201520036031.2，公開了一種四倍頻激光終端光學(xué)系統(tǒng)，組成包括：二倍頻晶體、基頻吸收玻璃、聚焦透鏡、真空窗口、四倍頻晶體和屏蔽片。本實(shí)用新型利用了非臨界相位匹配技術(shù)對(duì)光束發(fā)散角不敏感的特點(diǎn)，將四倍頻晶體放在聚焦透鏡后，不僅保證四倍頻激光的轉(zhuǎn)換效率不受影響，而且能夠減少紫外段光學(xué)元件的數(shù)量和厚度，緩解紫外段光學(xué)元件的嚴(yán)重?fù)p傷。但是該專利所采用的非臨界相位匹配技術(shù)需要精準(zhǔn)、復(fù)雜的溫控系統(tǒng)，由于激光驅(qū)動(dòng)器所用晶體口徑大，為防止空氣對(duì)流影響溫控效果，還需要真空環(huán)境，這大大增加了工程難度。

中國專利文件201410546550.3，公開了一種非線性光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的非共線高效率頻率轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)方法，通過將呈一定角度的基頻光和倍頻光先經(jīng)過一個(gè)聚焦透鏡進(jìn)行預(yù)聚焦，然后再經(jīng)過非線性光學(xué)晶體，從而使得產(chǎn)生的三倍頻光自動(dòng)聚焦。本發(fā)明采用基頻光、倍頻光預(yù)聚焦的方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)方案中聚焦透鏡易于被紫外波段的諧波損壞的問題，避免了更換聚焦透鏡后重新調(diào)整光路的步驟。但是該專利技術(shù)只適用于小口徑激光，并不適用于激光驅(qū)動(dòng)器。原因是非共線相位匹配要求基頻光和倍頻光呈一定角度入射晶體，需要基頻光和倍頻光空間分離，相對(duì)于傳統(tǒng)的共線相位匹配，光路數(shù)加倍且有距離要求，這會(huì)大大增加靶場光束排布的難度；而且光束交疊處因透鏡會(huì)聚作用而光斑面積縮小、能量密度增加，容易造成晶體損傷；且該文件同樣存在大口徑晶體非臨界相位匹配溫控的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，為了避免熔石英透鏡的紫外激光損傷問題，大幅提升慣性約束聚變激光驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載能力，本發(fā)明提出了一種新的三倍頻構(gòu)型方案。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種避免透鏡紫外激光損傷的裝置，包括沿光路設(shè)置的倍頻晶體、聚焦透鏡和和頻晶體，和頻晶體包括拼接的子晶體，倍頻晶體用于對(duì)基頻光的倍頻；聚焦透鏡用于聚焦倍頻光束和剩余的基頻光束；拼接的和頻晶體用于基頻光和倍頻光和頻產(chǎn)生紫外激光。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述和頻晶體的子晶體一側(cè)設(shè)有藍(lán)寶石襯底，藍(lán)寶石襯底用于拼接的子晶體的固定。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，和頻晶體為LBO晶體。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，聚焦透鏡的材料為K9玻璃或熔石英，聚焦透鏡表面鍍有對(duì)1053nm和526.5nm激光的增透膜。

相比于先和頻再聚焦打靶的傳統(tǒng)構(gòu)型，本發(fā)明提出的新的三倍頻構(gòu)型方案中，三倍頻晶體置于聚焦透鏡之后，倍頻晶體產(chǎn)生的倍頻光和剩余的基頻光經(jīng)聚焦透鏡聚焦，在光束的會(huì)聚過程中實(shí)現(xiàn)激光合頻。會(huì)聚光束的發(fā)散角較大，因此采用相位匹配接受角較大的LBO晶體代替?zhèn)鹘y(tǒng)構(gòu)型中的KDP/DKDP晶體作為和頻晶體。單塊LBO晶體在θ方向的接受角仍不能滿足如此大發(fā)散角的會(huì)聚光束的相位匹配要求，因此本發(fā)明提出利用不同切割角度LBO晶體的拼接技術(shù)來實(shí)現(xiàn)高效三倍頻。

一種避免透鏡紫外激光損傷的方法，包括步驟如下：

(1)沿基頻光光路設(shè)置倍頻晶體、聚焦透鏡和和頻晶體，和頻晶體為拼接在一起的子晶體；

(2)根據(jù)會(huì)聚光束的發(fā)散角和和頻晶體在θ方向上的接受角(不同的接受角對(duì)應(yīng)不同的轉(zhuǎn)換效率)確定和頻晶體的子晶體拼接塊數(shù)；

(3)將和頻晶體的子晶體拼接固定于藍(lán)寶石襯底上。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(2)中，和頻晶體的子晶體拼接塊數(shù)由公式(Ⅰ)獲得。

進(jìn)一步優(yōu)選的，步驟(2)中，當(dāng)公式(Ⅰ)不能整除時(shí)，子晶體的拼接塊數(shù)進(jìn)行進(jìn)位取整。

進(jìn)一步優(yōu)選的，步驟(2)中，會(huì)聚光束的發(fā)散角根據(jù)光束口徑和聚焦透鏡的焦距獲得，通過公式(Ⅱ)反正切運(yùn)算獲得：

會(huì)聚光束的發(fā)散角＝2×arctan(激光光束半徑/聚焦透鏡焦距)(Ⅱ)。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(3)中，和頻晶體的子晶體之間、子晶體與藍(lán)寶石襯底之間均為光膠連接。以實(shí)現(xiàn)多塊晶體之間的平整、無縫拼接，減少能量損耗。另外，由于晶體偏薄，通過光膠連接襯底有利于晶體的穩(wěn)定夾持。

在和頻晶體厚度一定的情況下，會(huì)聚激光三倍頻轉(zhuǎn)換效率的高低(相對(duì)于平行光束入射的三倍頻轉(zhuǎn)換效率而言)對(duì)應(yīng)LBO晶體內(nèi)部不同的接受角度，轉(zhuǎn)換效率越高，晶體內(nèi)部允許的接受角度越小?？紤]到晶體的折射效應(yīng)，晶體外部的接受角約為內(nèi)部接受角的1.6倍。LBO晶體在方向的接收角高達(dá)100mrad，因此在方向上一塊晶體即可滿足相位匹配，但考慮到晶體生長尺寸的限制，在大口徑激光應(yīng)用中該方向仍然需要拼接。

進(jìn)一步優(yōu)選的，步驟(2)中，拼接的子晶體中間一塊子晶體的切割角度為20℃條件下的平行光束入射時(shí)三倍頻切割角θ_m＝44.7°，

進(jìn)一步優(yōu)選的，步驟(2)中，在θ方向上，相鄰兩個(gè)子晶體之間的切割角度差為公式(Ⅲ)所示：

相鄰兩個(gè)子晶體之間的切割角度差＝會(huì)聚光束的發(fā)散角/晶體的拼接塊數(shù)(Ⅲ)。

進(jìn)一步優(yōu)選的，步驟(2)中，在θ方向上，從中間的一個(gè)子晶體依次往上，切割角θ越來越大，依次往下，切割角θ越來越?。辉诜较蛏?，所有子晶體的切割角均為90°。

各拼接晶體的切割角度不同，以滿足會(huì)聚光束入射的相位匹配條件。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明采用共線、臨界相位匹配技術(shù)實(shí)現(xiàn)會(huì)聚光束三倍頻，不增加光路，不需要溫控。采用切割角度不同的晶體，通過晶體拼接技術(shù)滿足大口徑會(huì)聚光束的相位匹配要求，實(shí)現(xiàn)會(huì)聚光束高效三倍頻，避免聚焦透鏡的紫外激光輻照，大幅提高慣性約束聚變中激光驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載能力。

相比于傳統(tǒng)的合頻之后再聚焦打靶，本發(fā)明提出的新構(gòu)型不僅可以避免熔石英聚焦透鏡的紫外激光輻照，提高慣性約束聚變中激光驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載能力，保護(hù)熔石英聚焦透鏡，而且聚焦透鏡的材質(zhì)也得以擴(kuò)展，可以利用紫外波段透過率低，但制造成本更低、工藝更成熟的K9玻璃代替熔石英，具有較低的成本意識(shí)和較強(qiáng)的適應(yīng)推廣優(yōu)勢。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種避免透鏡紫外激光損傷的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明和頻晶體拼接結(jié)構(gòu)示意圖；圖2以九塊子晶體為例，九塊子晶體拼接實(shí)現(xiàn)會(huì)聚光束三倍頻這一新構(gòu)型的裝置；

圖3為本發(fā)明和頻晶體轉(zhuǎn)換效率與晶體的接受角的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖；

圖1中1為倍頻晶體、2為聚焦透鏡、3為拼接的和頻晶體、4為藍(lán)寶石襯底；圖2中的A1、A2，B1、B2及C1、C2為不同切割角度的拼接子晶體。

具體實(shí)施方式

下面通過實(shí)施例并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但不限于此。

實(shí)施例1：

一種避免透鏡紫外激光損傷的裝置，包括沿光路設(shè)置的倍頻晶體、聚焦透鏡和和頻晶體，和頻晶體包括拼接的子晶體，倍頻晶體用于對(duì)基頻光的倍頻；聚焦透鏡用于聚焦倍頻光束和剩余的基頻光束；拼接的和頻晶體用于基頻光和倍頻光和頻產(chǎn)生紫外激光；和頻晶體的子晶體一側(cè)設(shè)有藍(lán)寶石襯底，藍(lán)寶石襯底用于拼接的子晶體的固定，和頻晶體為LBO晶體，如圖1所示。

基頻光經(jīng)倍頻晶體1倍頻，產(chǎn)生的倍頻光和剩余的基頻光經(jīng)聚焦透鏡2會(huì)聚，拼接的和頻晶體3和藍(lán)寶石襯底4置于聚焦透鏡2的會(huì)聚光路上，激光三倍頻發(fā)生在光束會(huì)聚的過程中。拼接的和頻晶體3和藍(lán)寶石襯底4要盡可能的靠近聚焦透鏡2放置，以放置聚焦產(chǎn)生的高能量密度激光損傷和頻晶體。

實(shí)施例2：

一種避免透鏡紫外激光損傷的方法，包括步驟如下：

(1)沿基頻光光路設(shè)置倍頻晶體、聚焦透鏡和和頻晶體，和頻晶體為拼接在一起的子晶體，和頻晶體為LBO晶體；

(2)根據(jù)會(huì)聚光束的發(fā)散角和和頻晶體在θ方向上的接受角(不同的接受角對(duì)應(yīng)不同的轉(zhuǎn)換效率)確定和頻晶體的子晶體拼接塊數(shù)；

(3)將和頻晶體的子晶體拼接固定于藍(lán)寶石襯底上。

步驟(2)中，和頻晶體的子晶體拼接塊數(shù)由公式(Ⅰ)獲得。

當(dāng)公式(Ⅰ)不能整除時(shí)，子晶體的拼接塊數(shù)進(jìn)行進(jìn)位取整。

公式(Ⅰ)中，會(huì)聚光束的發(fā)散角根據(jù)光束口徑和聚焦透鏡的焦距獲得，通過公式(Ⅱ)反正切運(yùn)算獲得：

會(huì)聚光束的發(fā)散角＝2×arctan(激光光束半徑/聚焦透鏡焦距)(Ⅱ)。

以光束口徑36cm×36cm為例，設(shè)定聚焦透鏡2的焦距為1000cm，則會(huì)聚光束的發(fā)散角為：2×arctan(18cm/1000cm)≈36mrad。LBO晶體內(nèi)(外)部的接受角受晶體厚度的影響，若要實(shí)現(xiàn)相同的轉(zhuǎn)換效率，晶體的厚度越薄，內(nèi)(外)部的接受角度越大。將波矢k展開為θ方向接受角的泰勒級(jí)數(shù)，則平均轉(zhuǎn)換效率與接受角的對(duì)應(yīng)關(guān)系為公式(Ⅳ)：

其中，任意一條入射光線的轉(zhuǎn)換效率為：

η(Δθ)＝-37.2-0.17θ-0.02×(θ-0.74)²+0.11×(θ-0.74)³

其中，Δθ_max和分別為入射光束在θ方向和方向最大的發(fā)散角(半角)，Δθ和分別為任意一條入射光線在θ方向和方向的發(fā)散角，Δθ和的積分區(qū)域分別為(-Δθ_max，Δθ_max)，

通過曲線表示的不同LBO晶體厚度條件下，晶體內(nèi)部接受角和轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系如圖3所示。設(shè)定平行光束入射時(shí)的轉(zhuǎn)換效率為1，拼接的和頻LBO晶體的厚度為4mm，在θ方向上若要實(shí)現(xiàn)80％以上的轉(zhuǎn)換效率，則LBO晶體外部的接受角約為12.8mrad，接受角的計(jì)算過程如下：

如圖3所示，晶體厚度為4mm，最邊緣入射光線的轉(zhuǎn)換效率為49.9％時(shí)，經(jīng)公式(Ⅳ)所述的積分計(jì)算可得平均轉(zhuǎn)換效率降低為82.8％，此時(shí)的接受半角為4.035mrad，則晶體外部的接受角約為4.0×2×1.6＝12.8mrad；當(dāng)最邊緣光線的轉(zhuǎn)換效率為80.1％時(shí)，平均轉(zhuǎn)換效率為90％以上，晶體外部的接受角約為2.34×2×1.6＝7.5mrad。

在θ方向上，相鄰兩個(gè)子晶體之間的切割角度差為公式(Ⅲ)所示：

相鄰兩個(gè)子晶體之間的切割角度差＝會(huì)聚光束的發(fā)散角/晶體的拼接塊數(shù)(Ⅲ)。

在θ方向上，從中間的一個(gè)子晶體依次往上，切割角θ越來越大，依次往下，切割角θ越來越?。辉诜较蛏?，所有子晶體的切割角均為90°。

則，在θ方向上需要拼接的子晶體塊數(shù)為36mrad/12.8mrad≈3塊。晶體在方向上的接受角高達(dá)100mrad，理論上一塊晶體即可，但是考慮到LBO晶體生長尺寸的限制，所以必須要采用3×3的子晶體拼接方案。拼接的子晶體中間一塊子晶體的切割角度為20℃條件下的平行光束入射時(shí)三倍頻切割角θ_m＝44.7°，

在θ方向上相鄰兩塊子晶體的角度切割差異為36.0mrad/3＝12.0mrad＝0.7°，即B1、B2的切割角度為θ_m＝44.7°，A1、A2的切割角度為θ_m＝45.4°，C1、C2的切割角度為44.0°，在方向上，九塊晶體的切割角度均為

實(shí)施例3：

一種避免透鏡紫外激光損傷的方法，其步驟如實(shí)施例2所述，所不同的是，步驟(3)中，和頻晶體的子晶體之間、子晶體與藍(lán)寶石襯底之間均為光膠連接，以實(shí)現(xiàn)多塊晶體之間的平整、無縫拼接，減少能量損耗。

在和頻晶體厚度一定的情況下，不同的激光三倍頻效率(相對(duì)于平行光束入射的轉(zhuǎn)換效率而言)對(duì)應(yīng)LBO晶體內(nèi)部不同的接受角，轉(zhuǎn)換效率越高，晶體的內(nèi)部允許的接受角越小。考慮到晶體的折射效應(yīng)，晶體外部的接受角約為內(nèi)部接受角的1.6倍。LBO晶體在方向的接收角高達(dá)100mrad，因此在方向上一塊晶體即可滿足相位匹配，但考慮到晶體生長尺寸的限制，在大口徑激光應(yīng)用中該方向仍然需要拼接。

上述對(duì)實(shí)施例的描述是為便于該領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。晶體的拼接塊數(shù)不限于九塊，各晶體的切割角度需要根據(jù)光束的發(fā)散角、晶體的拼接塊數(shù)等工程參數(shù)準(zhǔn)確計(jì)算而得。熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯然非常容易的將在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于這里的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對(duì)于本發(fā)明做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。