用于啁啾脈沖放大的光譜整形調制方法

專利名稱：用于啁啾脈沖放大的光譜整形調制方法
技術領域：
本發明涉及一種用于激光功率放大過程中的脈沖整形調制技術，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)系統的光譜整形調制新方法，屬于工程光學應用技術領域。
背景技術：
在超短超強高功率激光技術中，許多因素限制了激光系統輸出功率的進一步提高，其中 固體激光介質的增益窄化和增益飽和效應是一個較為棘手的問題。增益窄化效應是由于放大 介質原子發射線有限寬，由于頻率牽引效應，從而使輸出脈沖的頻譜變窄，這不但會導致脈 沖波形的畸變，而且還會使脈沖很難壓回到原來的寬度。而增益飽和效應是導致啁啾脈沖產 生畸變的另一個重要原因，它是由于脈沖前沿消耗了放大介質的反轉粒子數，導致放大脈沖 前沿的光強放大倍數大于后沿的光強放大倍數，從而使放大脈沖的波形前后沿不對稱，因此 使放大脈沖得不到有效的放大，并使脈沖的頻譜產生紅移，引起脈沖畸變。在實際工作中， 為了補償CPA過程中產生的增益窄化和增益飽和效應以及提高高功率激光輸出脈沖信噪比 (SNR)參數，需要利用光譜整形調制方法使放大前脈沖的光譜分布的中心波長附近出現一定形 狀和大小的凹陷。在慣性約束核聚變(ICF)研究中，其物理實驗對高功率激光輸出的脈沖參數 要求非常苛刻，而且在神光II千焦拍瓦高功率放大系統設計中，人們更加關心調制其相應的 脈沖時空特性和光譜特性，其中對啁啾脈沖進行光譜調制和光譜整形，目的主要是盡量消除 CPA過程中增益窄化效益和增益飽和效應的影響，同時力圖提高高功率激光光束輸出的SNR 參數。如文獻[楚曉亮，張彬，蔡邦維等，"啁啾脈沖多程放大及其逆問題的研究"，《物理 學報》，54(10)， 2005, 10， 4696-4701];[張彬，呂百達，"多級和多程脈沖激光放大器的逆 問題"，《中國激光》，1997， 24(6)， 495-500];[王韜，范滇元，"高功率激光放大器脈沖的 整形設計"，《強激光與粒子數》，1999， 11(2)， 139-142];[黃小軍，魏曉峰，彭翰生等，"百 太瓦級超短脈沖激光系統結構研制"，2004，四川光電子學會議。]
同樣由上述文獻還可知國際通用方法主要存在以下缺點1、在再生放大器中加入可調諧 空氣隙標準具來調整光譜，但這種調整較復雜，而且在神光II千焦拍瓦高功率放大系統中用 光參量啁啾脈沖放大技術(OPCPA)替代了再生放大器，因而不適用。2、使信號光源中心波長 藍移，即相對于增益介質中心波長藍移，并且使長波長方向有較長的脈沖沿，直接調整光譜，但是這種方法對超過太瓦級(1012)的系統不實用。3、長波長注入法，使增益窄化效益來補償 飽和效應的影響，但這種方法又影響到系統的穩定性。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償能力和較大的色散補償范圍，如中國工程物理研究院在國內首次 引進AOPDF，并成功用于星光百太瓦系統結構。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，對于釹玻璃系統不適用。
同時注意到在大能量高功率條件下，透射介質如濾光片和雙折射晶體，或有機選擇元件
如鉸鏈型有機聚合物調制均不適用，如文獻所述[朱鵬飛，楊鏡新，薛紹林，李美榮，林尊
琪，"超短脈沖的光譜整形"，中國激光，30(12)，2003, 1075:1078];[冷雨欣；林禮煌；徐至 展，"摻鈦藍寶石再生放大器的光譜整形"，光學學報，22(2)， 2002' 170: 174];以及專利 號ZL200410025678. 1和專利號ZL200410024684. 5的專利。
目前用于光譜整形的透射方法有l.利用干涉濾光片選擇透射，但存在原理和工程技術 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，濾波帶設計在 十幾個納米時，就無法有效控制透射率曲線的帶寬和中心凹陷的程度；而且光譜調制對入射 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，會對通過它的激光產生副作用，例如 引起法布里-伯羅效應、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.采用鉸鏈型有機聚合物波導或經電暈極 化具有光電效應的有機聚合物波導實現選擇反射，但對于大能量高功率激光系統不適用。

發明內容
本發明的目的正是針對上述所述現有技術中所存在的缺陷，提出一種適用于大能量高功 率激光啁啾脈沖放大(CPA)系統的光譜整形調制新方法，該方法采用改進的切爾尼-特納光譜 儀器系統(Czerny-Turner Spectrum Instrument,簡稱CTSI系統)，即采用CTSI光譜分解系 統與CTSI光譜合成系統，并采用光譜調制系統，先將啁啾脈沖完全真實展開到光譜面，再在 像平面上進行光譜調制和光譜整形，然后將調制后的光譜無畸變的還原為調制后的啁啾脈沖， 達到光譜調制整形目的。本發明克服了常規光譜調制國際通用方法要么是對超過太瓦級的系 統不適用、要么是對釹玻璃系統等窄帶系統不適用的問題；本發明方法可對一般激光脈沖實 現光譜調制和光譜整形，尤其適用于幾個納米帶寬的大口徑大能量高功率激光啁啾脈沖放大 的光譜調制和光譜整形。
為實現本發明的目的，本發明采用由以下措施構成的技術方案來實現的 本發明用于啁啾脈沖放大的光譜整形調制方法，其特征在于，采用成對稱的CTSI光譜分解系統與CTSI光譜合成系統，并采用光闌和平面光譜調制反射鏡構成的光譜調制系統，先將 激光啁啾脈沖展開到光譜面，再在像平面上進行光譜調制，然后將調制后的光譜無畸變的還 原為調制后的啁啾脈沖，包括以下步驟
按設計光路順序描述來自CPA前端的激光光束經第一凹面反射鏡變換后，依次經由第 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成的CTSI光譜分解系統 準直、色散、成像；再經由第二光鬧與其上的平面光譜調制反射鏡構成的光譜調制系統調制； 然后經由第四凹面反射鏡，第二光柵，第五凹面反射鏡及第三光闌構成的CTSI光譜合成系統 成像、色散相減、合成；完成光譜分解、調制及合成的啁啾脈沖通過第三光闌出射，由第六 凹面反射鏡變換為平行光束，輸入到后級固體放大介質中放大。
上述技術方案中，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 對稱，所述色散相減時兩光柵轉動方向應滿足以下要求以逆向正常光路方向從CTSI光譜合 成系統追跡不同波長光譜的排列，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。
上述技術方案中，其特征在于，所述第一光闌和第三光闌均為實共焦望遠鏡像傳遞照明 系統的孔徑光闌；所述照明系統由第一凹面反射鏡，第一光闌和第二凹面反射鏡構成，或由 第六凹面反射鏡，第三光闌和第五凹面反射鏡構成，在保證正常寬度要求的相干同相入射的 條件下，不改變來自CPA前端的激光束的時間和空間分布，照明系統相對孔徑與色散系統和 成像系統的相對孔徑匹配，且保證通光口徑能充滿色散系統的口徑；所述第二光闌為檔光板 與其在平面光譜調制反射鏡中的像構成的狹縫光闌，所有光闌均應滿足孔徑的正常寬度"。條
件，或CTSI光譜分解系統和CTSI光譜合成系統能達到的衍射半寬度fl。條件，同時第二光闌
與第三光闌應通過激光啁啾脈沖帶寬內所有頻譜的光；所述光學元件全部選用相對色散元件 成對稱型的成像系統，或者光學元件相對色散元件成不對稱以補償像差的成像系統;所述CTSI 光譜分解系統與CTSI光譜合成系統的準直、成像系統的焦距相等，橫向放大率相等，或者 CTSI光譜合成系統與CTSI光譜分解系統結構完全對稱，并且以逆向正常光路方向從CTSI光 譜合成系統追跡的系統與CTSI光譜分解系統的準直、成像系統的焦距對應相等，橫向放大率 相等；所述凹面反射鏡均要求在整個工作波段內嚴格消除色差、球差，彗差，像散和場曲， 使譜像面對于平面光譜調制反射鏡表面的最大偏離小于按瑞利準則導出的半焦深容限。
上述技術方案中，所述平面光譜調制反射鏡釆用多層介質膜微浮雕結構的平面光譜調制 反射鏡；或微鏡結構反射鏡；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 調制器的反射鏡；或微機電薄膜反射鏡MIMS;或連續變形反射鏡；或Bimorph變形鏡；或棱鏡/波導耦合反射鏡；或變柵距光柵反射鏡。
用于啁啾脈沖放大的光譜整形調制方法，其特征在于，采用平面調制自準直的CTSI光譜 分解系統與CTSI光譜合成系統，并采用光闌和平面光譜調制反射鏡構成的光譜調制系統，先 將激光啁啾脈沖展開到光譜面，再在像平面上進行光譜調制，然后將調制后的光譜無畸變的 還原為調制后的啁啾脈沖，包括以下步驟
按設計光路順序描述來自CPA前端的激光光束經第一分光棱鏡起偏，通過l/4波片及 第一凹面反射鏡變換后，依次經由第一光闌，第二凹面反射鏡，第一光柵，第三凹面反射鏡 及第二光闌構成的CTSI光譜分解系統準直、色散、成像；再經由第二光闌與其上的平面光譜 調制反射鏡構成的光譜調制系統調制；之后調制反射光由中心對稱凹面反射鏡反射，經原路 返回到第二光闌及其上的平面光譜調制反射鏡再次調制，再返回到第三凹面反射鏡，準直到 第一光柵形成色散相減的結構，光束平行入射到第二凹面反射鏡聚焦到第一光闌構成的CTSI 光譜合成系統成像、色散相減、合成；完成光譜分解、調制及合成的啁啾脈沖從第一光闌出 射；經第一凹面反射鏡變換為平行光束，通過l/4波片后，偏振旋轉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，輸入到后級固體放大 介質中放大。
上述技術方案中，所述第一光闌為實共焦望遠鏡像傳遞照明系統的孔徑光闌所述照明 系統由第一凹面反射鏡，第一光闌和第二凹面反射鏡構成，在保證正常寬度要求的相干同相 入射的條件下，不改變來自CPA前端的激光束的時間和空間分布，照明系統相對孔徑與色散 系統和成像系統的相對孔徑匹配，且保證通光口徑能充滿色散系統的口徑；所述第二光闌為 檔光板與其在平面光譜調制反射鏡中的像構成的狹縫光闌，所有光闌均應滿足孔徑的正常寬
度"n條件，或CTSI光譜分解系統和CTSI光譜合成系統能達到的衍射半寬度a。條件，同時第
二光闌與第三光闌應通過激光啁啾脈沖帶寬內所有頻譜的光；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工作波段內嚴格消除色差、球差，彗差，像散 和場曲，使譜像面對于平面光譜調制反射鏡表面的最大偏離小于按瑞利準則導出的半焦深容 限；所述光學元件全部選用相對色散元件成對稱型的成像系統，或者光學元件相對色散元件 成不對稱補償像差的成像系統。
上述技術方案中，所述平面光譜調制反射鏡采用多層介質膜微浮雕結構平面光譜調制反 射鏡；或微鏡結構反射鏡；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 制器的反射鏡；或微機電薄膜反射鏡MIMS;或連續變形反射鏡；或Bimorph變形鏡；或棱鏡 /波導耦合反射鏡；或變柵距光柵反射鏡。用于啁啾脈沖放大的光譜整形調制方法，其特征在于，采用凹面調制自準直的CTSI光譜 分解系統與CTSI光譜合成系統，并用凹面光譜調制反射鏡構成光譜調制系統，先將激光啁啾 脈沖展開到光譜面，再在像平面上進行光譜調制，然后將調制后的光譜無畸變的還原為調制
后的啁啾脈沖，包括以下步驟
按設計光路順序描述來自CPA前端的激光光束經第一分光棱鏡起偏，通過l/4波片及 第一凹面反射鏡變換后，依次經由第一光偏，第二凹面反射鏡，第一光柵，第三凹面反射鏡 及凹面光譜調制反射鏡構成的CTSI光譜分解系統準直、色散、成像；經由凹面光譜調制反射 鏡構成的光譜調制系統調制；之后調制反射光又由凹面光譜調制反射鏡反射，經原路返回到 第三凹面反射鏡，準直到第一光柵形成色散相減的結構，光束平行入射到第二凹面反射鏡聚 焦到第一光闌構成的CTSI光譜合成系統成像、色散相減、合成；完成光譜分解、調制及合成 的啁啾脈沖從第一光闌出射，經第一凹面反射鏡變換為平行光束，通過l/4波片后，偏振旋 轉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，輸入到后級固體放大介質中放大。
上述技術方案中，所述第一光闌為實共焦望遠鏡像傳遞照明系統的孔徑光闌；所述照明 系統由第一凹面反射鏡，第一光闌和第二凹面反射鏡構成，在保證正常寬度要求的相干同相 入射的條件下，不改變來自CPA前端的激光束的時間和空間分布，照明系統相對孔徑與色散 系統和成像系統的相對孔徑匹配，且保證通光口徑能充滿色散系統的口徑；所述孔徑光闌應
滿足孔徑的正常寬度^條件，或CTSI光譜分解系統和CTSI光譜合成系統能達到衍射半寬度
"。條件，同時應滿足通過激光啁啾脈沖帶寬內所有頻譜的光；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工作波段內嚴格消除色差、球差，彗差，像散 和場曲，使譜像面對于平面光譜調制反射鏡表面的最大偏離小于按瑞利準則導出的半焦深容 限；所述光學元件全部選用相對色散元件成對稱型的成像系統，或者光學元件相對色散元件 成不對稱補償像差的成像系統。
上述技術方案中，所述凹面光譜調制及射鏡采用多層介質膜微浮雕結構凹面光譜調制反 射鏡；或微鏡結構凹面反射鏡；或凹面液晶光閥；或前加變柵距光柵的凹面反射鏡；或前加 液晶空間光調制器的凹面反射鏡；或微機電薄膜凹面反射鏡MIMS;或連續變形凹面反射鏡； 或Bimorph凹面變形鏡；或棱鏡/波導耦合凹面反射鏡；或變柵距光柵凹面反射鏡。
本發明用于啁啾脈沖放大的光譜整形調制方法其基本思想是針對激光光譜，利用對稱 型CTSI光譜分解系統將激光啁啾脈沖完全真實展開到光譜面，利用光譜調制系統在像平面上 進行光譜調制和光譜整形，然后利用對稱型CTSI光譜合成系統將調制后的光譜無畸變的還原為調制后的啁啾脈沖，來實現對CPA系統中啁啾脈沖的光譜調制和光譜整形。由于利用改進 了的對稱型切爾尼-特納光譜分光系統與合成系統，使光譜調制具有調整靈活性。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，系統結構最好不工作在自準直系統結 構條件下，以克服光柵伍德異常。選擇合理的排布結構參數，準直系統和成像系統的物鏡均選 擇凹面反射鏡，并且都要嚴格校正球差和慧差，使譜面對于光譜調制反射鏡面的最大偏離小 于按瑞利(Rayliegh)準則導出的半焦深容限，從系統結構的型式上即對應色散元件和二個作 為物鏡的凹面反射鏡的相對位置的設置來減小像散及彗差。
在實際工作中，為了補償CPA過程中產生的增益窄化和增益飽和效應以及提高輸出脈沖 信噪比(SNR)參數，需要利用光譜整形調制方法使放大前脈沖的光譜分布的中心波長附近出現 一定形狀和大小的凹陷。本發明實施例中，采用多層介質膜微浮雕結構光譜調制反射鏡，通 過選擇不同的膜系結構參數可得到不同的多層介質反射鏡的反射率曲線和相應的光譜整形效 果。從而可補償啁啾脈沖放大過程中產生的增益窄化和增益飽和效應。多層介質膜微浮雕結 構光譜調制反射鏡可以做到在中心光譜附近實現一定形狀和大小的幅度凹陷而相位保持不變 (見專利申請號200710049516. 5和200720080292. X的專利申請)。
本發明與現有技術相比具有如下有益的效果和優點
1. 本發明光譜整形調制方法利用改進的CTSI系統，同時采用光譜調制反射鏡，將激光 啁啾脈沖分解、調制、再合成的方法，解決了長期懸而未決的國際通用方法要么是對超過太 瓦的系統不實用、要么是對于釹玻璃系統等窄帶系統不適用的問題。2. 本發明光譜整形調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，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，對 于釹玻璃系統不適用的問題。
3. 本發明光譜整形調制方法，通用性強，不僅適用于釹玻璃系統，也適用于鈦寶石系 統；如果使光柵繞通過光柵刻劃面的垂軸轉動，就可很方便地改變調制光譜范圍。
4. 本發明光譜整形調制方法采用多層介質膜微浮雕結構光譜調制反射鏡，同時采用了 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的調 制問題，且可以使其工作在高功率條件下。
5. 本發明光譜整形調制方法采用多層介質膜微浮雕結構光譜調制反射鏡，解決了啁啾 脈沖放大(CAP)中要求反射光相位一致的問題，在保證相位不變的條件下，相對幅度調制超過 60%。
6. 本發明光譜整形調制方法不僅可以應用于ICF激光驅動器追求研制高功率固體激光
器的譜調整，而且可以用于一般激光脈沖實現光譜調制和光譜整形，尤其適用于幾個納米帶寬的大口徑大能量高功率CPA系統。
7.本發明采用實共焦望遠鏡系統的像傳遞系統來照明，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間和空間分布，聚光本領大，與色散系統
和成像系統的相對孔徑相匹配，且保證通光口徑能充滿色散系統的口徑等的特點。


圖1本發明對稱型CTSI系統的光譜整形調制結構示意圖2本發明自準直平面光譜調制CTSI系統的光譜整形調制結構示意圖； 圖3本發明自準直凹面光譜調制CTSI系統的光譜整形調制結構示意圖4本發明經光譜調制反射鏡調制后的光譜特性分布曲線圖5為圖1，圖2和圖3的光譜整形調制結構調制后目標脈沖波形。
圖中l-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"-中心對稱凹面反射鏡；5'-凹面光譜調制反射鏡。
具體實施例方式
下面結合附圖、工作原理，并通過實施例對本發明作進一步的詳細說明，但它僅用于說 明本發明的一些具體的實施方式，而不應理解為對本發明保護范圍的限定。
以下對本發明光譜整形調制方法的基本原理進行描述 一、光譜分解系統
1、 照明系統
照明系統是用來盡可能多的匯聚光源射出的光能量，并傳遞給準直系統。針對來自CPA 前端的種子脈沖，本發明采用實共焦望遠鏡系統的像傳遞系統來照明，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間和空間分布，聚光本領大， 與色散系統和成像系統的相對孔徑相匹配，且保證通光口徑能充滿色散系統的口徑等的特點。
2、 準直系統
本發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。按照光路光學元件描述，從系統結構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，構成準直系統。 一般的準直系統是由入射狹縫和準直物鏡組 成，入射狹縫位于準直物鏡的焦平面上。由于本發明采用激光照明，用像傳遞系統聚焦孔徑 光闌代替了入射狹縫。對于后面的系統而言，這一光闌的孔徑成為替代的實際的光源，限制 著進入系統的光束。3、色散系統
色散系統的作用是將入射的復合光分解為光譜。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，光路簡單，但是由于制造困難，而且許可有效面積小，像質差、像 散大，同時線色散率不均勻，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
根據光線在主截面內入射和衍射可得相鄰兩光線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，
通常稱為光柵常數；^為光譜級次，為整數；A為波長，可改寫上式為
A (A) = arcsin("^1 - sin ) (2)
《
由式(2)明顯地看出，當光柵的光柵常數4及入射角^一定時，除零級外，在確定的光譜級
次"中，波長;i愈長的光束衍射角愈大。這樣，不同波長的同一級主最大，自零級開始向左
右兩側按波長次序由短波向長波散開。在實際的光柵衍射圖樣中，由于總的刻線數目很大， 所以主最大對應的角寬度很小，在光柵后面的成像物鏡焦面上就形成非常明銳的細亮線——譜線。
(2) 合成光譜光柵合成原理
以幾何光學描述如下不同波長的同一級主最大是，自零級開始向左右兩側按波長次序
由短波向長波按光譜分布散開的單色光，以各色衍射角々(;i)會聚入射到光柵上，光柵能將它
按波長在空間進行光譜合成，這同樣是由于多縫衍射和干涉的結果。光柵產生的合成光強， 其位置是由各色多級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。對于合成光譜光柵，光線在主截面內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，稱為光柵常數；附2為合成光譜光柵光譜級次，為整數。若不考慮能量損失，即假設全
部衍射光以匯聚球面波參與合成時，由(2)式代入(3)式即= ^(;i)方程式變為
'義
c/2 (sin(arcsin("^--sin q)) ■+ sin爲)=附2義 (4)
《
當《二《，且附2二OT!時，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，當合成光譜光柵的光柵常數與分解光譜光
柵的光柵常數相同時，即^=《，且合成與分解光譜級次相對應，即m,-m,，且光柵工作在
閃耀條件下，即主值范圍在(0,;r/2)，能將光譜按波長在空間進行光譜合成，使各色光出射
角A(A)等于光譜分解時的入射角",，即各色光出射角為常數。這同樣是由于多縫衍射和干 涉的結果。通常以光柵集中90%以上能量的第一級衍射光譜的單色光實現光譜合成，光柵產
生的合成光強，其位置是由各色多級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反射式定向
平面閃耀光柵刻痕斷面A的幾何參數定義為槽面寬度b，光柵槽形角為t，光柵常數為d;根
據集中光能量于預定的某一光譜級次的要求，應使所要求的衍射方向和斷面A的反射光，即
零級主極大方向重合，表示為
2sinZxos( 2(A)-0 = (7) 同時根據將光柵的零級主極大方向，置于槽面寬度為b的斷面A作為單縫時其第一衍射
極小的方向上，也就是下式
2 sin f cos("2 (義))=— (8) 根據式(1) 一 (6)所確定的光譜級次、波長和入射角，則由式(7)和式(8)可以計
14算出刻劃定向光柵時斷面參數(6，c/力。平面光柵閃耀的一般條件，即付閃耀條件，應滿足下 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n與光柵平面法線n 的夾角，也稱光柵閃耀角；當光柵工作在利特羅自準直系統結構下，即"2=>92="即主衍
射條件時，有下式 <formula>formula see original document page 15</formula>(10) 根據上述原理設計的光柵實驗測得的結果看，光柵伍德異常與入射光的偏振有關， 一般 在^<0.8的波長范圍內，且光柵用于自準直系統結構第一級時發生。因為第一級衍射效率最 高，自由光譜寬度最大，通常使用第一級衍射，因此，光柵最好不工作在自準直系統結構條
件下，以消除光柵伍德異常。對非利特羅系統結構，閃耀方向為<formula>formula see original document page 15</formula> (ii)
和付閃耀條件下閃耀波長為<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。
由式(11)和式(12)可見，只要中心波長閃耀，附近的波長也能近似為閃耀輸出，只是衍射效 率相對降低一點。因此，合成光柵與分解光柵一樣，選擇對中心波長閃耀的反射式定向平面 閃耀光柵。
對于合成光譜光柵的嚴格波動理論證明為譜面上光譜分布位置為(-/，凡)，譜面位于
準直物鏡的前焦面-/，譜面上光譜單色光垂直位置為凡，衍射光柵位于準直物鏡的后焦面
(/,0)。使中心波長位于光軸上，它的-1級干涉主極大與槽面衍射主極大重合，零級干涉主
極大剛好落在槽面衍射的+1級零值極小上；使其它波長位于準直物鏡光軸的兩側，它們的-1 級干涉主極大與中心波長光譜的槽面衍射主極大重合；同時使光柵平面法線與物鏡光軸的夾 角為衍射光柵槽形角t的一半，d取lum左右，t^光束在近場和遠場均能很好地疊加在一起； 其輸出光束的半角寬度小，光強大，衍射效率高，更能有效地利用入射光能量。這樣的頻譜 合成，可以達到近衍射極限的光束質量，且衍射光柵槽形角t越小，光束半寬度越小。4、成像系統
成像系統的作用是將空間上色散開的各波長的光束會聚在成像物鏡的焦平面上，形成一 系列的按波長排列的頻譜的單色像。由于被研究的對象不同，其成像有三種情況線光譜、 帶光譜或連續光譜。對啁啾脈沖的分解、調制和合成，光譜在啁啾范圍內是連續光譜或是一 級的帶狀光譜。
成像系統的另一個作用是矯正彗差和像散。成像系統中球差是無法用調整的辦法來消除 的，必須在設計系統時，將光學元件校正到象差容限以內。用凹面反射鏡作為準直、成像物 鏡時，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直和成像兩個物鏡一 起考慮，從系統結構構型的排布來加以校正，本發明采用色散元件和兩個作為物鏡的凹面反 射鏡的相對位置來減小彗差。同樣，采用凹面反射鏡作為準直物鏡和成像物鏡時，也無法從 選擇物鏡的結構參數上來減小像散，但可采用系統結構的型式即色散元件和二個物鏡的相對 位置的設置減小像散。
二、 光譜調制系統
由光闌和光譜調制反射鏡構成光譜調制系統。由成像物鏡成像于光譜調制反射鏡面上， 由于光譜調制反射鏡采用多層介質微浮雕結構的光譜調制反射鏡，其寶塔型微浮雕結構外側 為高反射膜系，寶塔型微浮雕結構內側為增透膜系結構。其中，高反射膜系結構是為了實現 對啁啾脈沖經光柵后的衍射光場進行光強調制，從而達到光譜整形目的，而增透膜系寶塔型 結構是為了增加光譜調制的靈活性而加入的。寶塔型結構的不同臺階所對應光譜調制反射鏡 面上的橫向空間位置即為利用光譜調制反射鏡進行光強調制的空間位置。可以做到在中心光 譜附近實現幅度凹陷而相位保持不變，將其反射光強分布調制到所需光譜分布結構，如圖4 給出了在中心波長附近處進行不同深度光譜調制的結果，圖4中曲線1為輸入啁啾脈沖光譜 分布；曲線2為光譜整形多層介質微浮雕結構反射鏡的反射調制曲線；曲線3為整形后脈沖 光譜分布。通過合理設計膜系結構參數和有效控制加工精度，可使放大前的啁啾脈沖經光譜 整形多層介質微浮雕結構反射鏡反射后，其光譜分布在中心波長附近出現不同調制形狀和調 制深度的凹陷，如圖5所示。
三、 光譜合成系統
由前述合成光譜光柵合成原理可知，不同波長的同一級主最大是，自零級開始向左右兩
側，按波長次序由短波向長波按光譜分布散開的單色光，以各色衍射角A(/l)會聚入射到光柵
上，光柵能將它按波長在空間進行光譜合成。在光譜合成系統光路上描述如下光譜調制反 射鏡的出射光作為光譜合成系統的入射光，來自光譜調制反射鏡的反射光經準直鏡變換為平行光照射到光柵上，成像、色散相減和合成，在經成像凹面反射鏡成像在出射光闌處，至此 構成一個完整的光譜合成單元，即CTSI光譜合成系統。光譜合成系統，是由光譜調制反射鏡以后的對稱成像系統和色散系統構成，其特點是光 譜合成系統與光譜分解系統成對稱成像；與光譜分解系統一致成色散相減的系統；通常要求 各色光線光程差為零，即附加剩余色散為零。因此設計CTSI光譜合成系統與CTSI光譜分解 系統結構完全相同、對稱，即所述CTSI光譜分解系統與CTSI光譜合成系統的準直、成像系 統的焦距相等，橫向放大率相等，或者CTSI光譜合成系統與CTSI光譜分解系統結構完全對 稱，并且以逆向正常光路方向從CTSI光譜合成系統追跡的系統與CTSI光譜分解系統的準直、 成像系統的焦距對應相等，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、 光闌設計原理根據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 于確定的數值為判據，并以判據值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CTSI光譜分解系統的光束全部順利地通過CTSI光譜合成系統，CTSI光譜分 解系統的出瞳必須與CTSI光譜合成系統的入瞳相重合，也就是說，第一個色散元件中心發出 的光束必須通過第二個色散元件的中心。CTSI光譜分解系統和CTSI光譜合成系統的中間光闌與出射光闌不應對光束有任何限制， 即應通過激光啁啾脈沖帶寬內所有頻譜的光；色散相減的CTSI光譜分解系統和CTSI光譜合 成系統， 一般采用色散全消的形式；譜線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小；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、 準直成像系統的象差容限在光學設計中應對CTSI光譜分解系統與CTSI光譜合成系統單獨完成像差校正，使CTSI光譜合成系統與CTSI光譜分解系統的像差都在容限范圍以內，才能保證系統總像差的要求。 光學系統象差校正的要求可概括為l)在整個視場范圍內使光譜面平直；2)在整個光譜面上 譜線聚焦清晰，譜線輪廓對稱；3)沿譜線高度方向強度分布均勻。CTSI光譜合成系統與CTSI 光譜分解系統的準直系統是小相對孔徑、小視場系統；成像系統則是小相對孔徑、中等視場系統。對象差校正的參數要求則可歸納為準直系統和成像系統的物鏡都要嚴格校正球差和彗 差。根據經驗， 一般都采用瑞利準則作為象差容限。所謂瑞利(Rayliegh)準則，就是由剩余 球差、剩余彗差所產生的最大波象差應當小于A/4。按照軸向象差和波象差的關系，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光譜分解系統和CTSI光譜合成系統中就是色散元件 的有效寬度；/'為物鏡的焦距；入為選定的光線波長；/為邊緣主光線或邊緣譜線到光軸的距離。在本發明中都是采用凹面反射鏡作為準直物鏡和成像物鏡，不能組合以校正球差。需要 分別消除球差時，可采用非球面鏡。但因為拋物面鏡的初級彗差比球面鏡的大，多數用球面 鏡。如果系統中只能采用球面鏡時，則只能控制相對孔徑來使球差的彌散圓直徑小于孔徑的 正常寬度容限"。。而彗差則可以兩個物鏡一起考慮，本發明是通過改進的CTSI系統并通過控制相對孔徑可將彗差校正到趨近于零。校直光譜面使譜面對于光譜調制反射鏡面的最大偏離小于按瑞利(Rayliegh)準則導出的半焦深容限-<formula>formula see original document page 18</formula>
式中，AF為焦深，通常準直和成像系統的色差對譜面的彎曲起著決定性的作用。 一般 可使用準直和成像系統物鏡的色差和子午場曲相互補償的方法來獲得平直的譜面。但是本發 明中，因為光柵的橫向放大率隨波長的變化不大，不能采用上述相互補償的方法。因此兩個系統的物鏡都要嚴格消色差，為此本發明采用凹面反射鏡作為準直和成像系統物鏡。減小象散因為采用凹面反射鏡作為準直物鏡和成像物鏡，同樣無法從物鏡的結構參數上來減小象散。本發明通過改進的CTSI系統并通過控制相對孔徑減小象散。 實施例l:本實施例中，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；平面光譜調制反射鏡為多層介質膜微浮雕結構的平面光譜調制反射鏡；所有凹 面反射鏡均要嚴格消除色差、球差，彗差，使譜像面對于平面光譜調制反射鏡表面的最大偏 離小于按瑞利準則導出的半焦深容限；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制反射鏡5中的像構成的狹縫光闌；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所示對稱型CTSI系統的光譜整形調制結構光路圖布置好光學元件本實例采用成對稱的CTSI光譜分解系統與CTSI光譜合成系統，并采用第二光闌10和光 譜調制反射鏡5構成的光譜調制系統，利用CTSI光譜分解系統先將激光啁啾脈沖完全真實展 開到光譜面，利用光譜調制系統在像平面上進行光譜調制，然后利用CTSI光譜合成系統將調 制后的光譜無畸變的還原為調制后的啁啾脈沖，來實現啁啾脈沖放大的光譜調制和光譜整形。對稱型CTSI光譜分解系統按設計光路順序描述，來自CPA前端的激光光束，通過由第 一凹面反射鏡1和第二凹面反射鏡2組成的像傳遞系統，在第一光闌6處聚焦，因此照明系 統由第一凹面反射鏡l，第一光闌6和第二凹面反射鏡2構成，第一光闌成為本光譜整形調 制系統結構的輸入孔徑光闌，激光光束經第二凹面反射鏡2變換后為平行光束照射到第一光 柵3，構成準直系統。由于采用激光照明，這里用像傳遞系統第一光闌6代替了一般CTSI系 統入射狹縫。對于后面的系統而言，第一光闌6的孔徑成為替代的實際光源，限制著進入對 稱型光譜整形調制系統結構的光束。由第一光闌6的孔徑發出的光束經準直物鏡第二凹面反 射鏡2后變成平行光束投向由第一光柵3構成的色散系統。接著衍射光經第三凹面反射鏡4 成像在第二光闌10的孔徑處，至此構成一個完整的CTSI光譜分解系統。CTSI光譜分解系統 以光路順序表示為6-2-3-4-5。光譜調制系統:由第二光闌10與其上的多層介質膜微浮雕結構平面光譜調制反射鏡5構 成光譜調制系統，平面光譜調制反射鏡5由于采用多層介質膜微浮雕結構的平面光譜調制反 射鏡，可以做到在中心光譜附近實現幅度凹陷而相位保持不變；光譜調制系統要求譜像面對 于平面光譜調制反射鏡表面的最大偏離小于按瑞利(Rayliegh)準則導出的半焦深容限，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'小于確定的數值"。。平面光譜調制反射鏡其反射光強分布則可調制到所需光譜分布結構，如圖4所示曲線給出了在中心波長附 近處進行不同深度光譜調制的結果，圖4中，曲線1為輸入啁啾脈沖光譜分布；曲線2為光 譜整形多層介質微浮雕結構反射鏡的反射調制曲線；曲線3為整形后脈沖光譜分布。對稱型CTSI光譜合成系統為第二光闌10以后的對稱成像系統和色散系統。此CTSI光 譜合成系統中由第六凹面反射鏡l'，第三光闌6'和第五凹面反射鏡2'構成照明系統，由平面 光譜調制反射鏡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'構成 一個完整的CTSI光譜合成系統。CTSI光譜合成系統以光路順序表示為5-4'-3'-2'-6';其特 點是CTSI光譜合成系統5-4'-3'-2'-6'與上述的CTSI光譜分解系統6-2-3-4-5 —致成色散相 減的系統，即轉動第一光柵3與第二光柵3'的相對方向滿足以下要求以逆向正常光路方向 從CTSI光譜合成系統追跡不同波長光譜的排列，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；可使各色光線光程差為零，即剩余色散為零。最后完成光譜分解、調制及合成的啁啾脈沖由第三光闌6'的孔徑輸出，經第六凹面反射 鏡l'變換為平行光輸入到后級固體放大介質中放大；應用于ICF激光驅動器追求研制高功率 固體激光器的譜調整。通過對稱型CTSI系統的光譜整形調制結構調制后得到所需光譜分布結 構，如圖5所示，其光譜整形調制結果為在1053nm中心波長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，相對幅度調制可達60%。本實施中，所述的平面光譜調制反射鏡5可以替換為微鏡結構反射鏡；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制器的反射鏡；或微機電薄膜反射鏡MIMS: 或連續變形反射鏡；或Bimorph變形鏡；或棱鏡/波導耦合反射鏡；或變柵距光柵反射鏡，調 制方法與本實施例一樣，同樣可以實現啁啾脈沖放大的光譜調制和光譜整形，并得到所需光譜分布結構。 實施例2:本實施例中，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； 光譜調制反射鏡為多層介質膜微浮雕結構的平面光譜調制反射鏡；所有凹面反射鏡均要嚴格 消除色差、球差，彗差，使譜像面對于平面光譜調制反射鏡表面的最大偏離小于按瑞利準則 導出的半焦深容限；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制反射 鏡5中的像構成的狹縫光闌；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 為入射光闌同時也為出射光闌。按圖2所示自準直平面光譜調制CTSI系統的光譜整形調制結構光路圖布置好光學元件本實例是采用自準直平面光譜調制的CTSI光譜分解系統與CTSI光譜合成系統，并采用平面光譜調制反射鏡5構成的光譜調制系統，利用CTSI光譜分解系統 先將激光啁啾脈沖展開到光譜面，利用光譜調制系統在像平面上進行光譜調制，然后利用CTSI 光譜合成系統將調制后的光譜無畸變的還原為調制后的啁啾脈沖，來實現啁啾脈沖光譜調制和光譜整形。自準直調制平面光譜調制CTSI光譜分解系統按設計光路順序描述如下，來自CPA前端 的激光光束經第一分光棱鏡8起偏，以布魯斯特角入射的p光通過1/4波片7，再通過第一 凹面反射鏡1和第二凹面反射鏡2組成的像傳遞系統，在第一光闌6處聚焦，因此照明系統 由第一凹面反射鏡l，第一光闌6和第二凹面反射鏡2構成，第一光闌成為本光譜整形調制 系統結構的輸入孔徑光闌，光束經第二凹面反射鏡2變換后為平行光束照射到第一光柵3面 上，構成準直系統。由于采用激光照明這里用像傳遞系統第一光闌6代替了入射狹縫。對于 后面的系統而言，第一光闌6的孔徑成為替代的實際的光源，限制著進入自準直平面光譜調 制光譜整形調制系統結構的光束。由第一光闌6的孔徑發出的光束經準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構成的色散系統，接著衍射光經第三凹面反射鏡4成 像在第二光闌10的孔徑處，至此構成一個完整的CTSI光譜分解系統。CTSI光譜分解系統以 光路順序表示為6-2-3-4-5 。光譜調制系統由第二光闌10與其上的多層介質膜微浮雕結構平面光譜調制反射鏡5構 成的光譜調制系統，平面光譜調制反射鏡5由于采用多層介質膜微浮雕結構的平面光譜調制 反射鏡，可以做到在中心光譜附近實現幅度凹陷而相位保持不變；光譜調制系統要求譜像面 對于平面光譜調制反射鏡表面的最大偏離小于按瑞利(Rayliegh)準則導出的半焦深容限，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'小于確定的數值a。。平面光譜調制反射鏡其反射光強分布則調制到所需光譜分布結構，如圖4所示曲線給出了在中心波長附 近處進行不同深度光譜調制的結果，圖4中，曲線1為輸入啁啾脈沖光譜分布；曲線2為光 譜整形多層介質微浮雕結構反射鏡的反射調制曲線；曲線3為整形后脈沖光譜分布。自準直平面光譜調制CTSI光譜合成系統經平面調制反射鏡5的反射光由中心對稱凹面 反射鏡4"反射后再經原路返回，這樣的系統類似自準直成像系統和色散系統。其特點是光路 結構簡單、緊湊，而且與利特羅(Littrow)系統不同，反射光通過前面的CTSI光譜分解系統 6-2-3-4-5時，為一致成色散相減的光譜合成系統即調制反射光由中心對稱凹面反射鏡4" 反射，經原路返回到第二光闌10及其上的平面光譜調制反射鏡5再次調制，再原路返回到第 三凹面反射鏡4，準直到第一光柵3形成色散相減的結構，光束平行入射到第二凹面反射鏡2 再聚焦到第一光闌6構成CTSI光譜合成系統；CTSI光譜合成系統以光路順序表示為4"-5-4-3-2-6。經CTSI光譜合成系統合成后的光束從第一光闌6出射；經第一凹面反射鏡1 變換為平行光束，完成光譜分解、調制及合成的啁啾脈沖通過1/4波片7后，偏振旋轉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， 輸入到后級固體放大介質中放大；應用于ICF激光驅動器追求研制高功率固體激光器的譜調 整。由于光線經原路返回中，可以使剩余色散相減為零。通過自準直平面光譜調制光譜整形 調制系統結構調制后得到所需光譜分布結構，如圖5所示，其光譜整形調制結果為，在1053nm 中心波長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，相對幅度調制達60%。 本實施中，所述的平面光譜調制反射鏡5可以替換為微鏡結構反射鏡；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制器的反射鏡；或微機電薄膜反射鏡MIMS; 或連續變形反射鏡；或Bimorph變形鏡；或棱鏡/波導耦合反射鏡；或變柵距光柵反射鏡，調 制方法與本實施例一樣，同樣可以實現啁啾脈沖放大的光譜調制和光譜整形，并得到所需光譜分布結構。 實施例3:本實施例中，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； 光譜調制反射鏡為多層介質膜微浮雕結構的凹面光譜調制反射鏡；所用凹面反射鏡均要嚴格 消除色差、球差，彗差，使譜像面對于凹面光譜調制反射鏡表面的最大偏離小于按瑞利準則 導出的半焦深容限；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所示自準直凹面光譜調制CTSI系統光譜整形調制結構光路圖布置好光學元件本實例是采用自準直凹面光譜調制的CTSI光譜分解系統與CTSI光譜合成系統，并用凹 面光譜調制反射鏡5'構成的光譜調制系統，利用CTSI光譜分解系統先將激光啁啾脈沖展開 到光譜面，利用光譜調制系統在像平面上進行光譜調制，然后利用CTSI光譜合成系統將調制 后的光譜無畸變的還原為調制后的啁啾脈沖，來實現啁啾脈沖光譜調制和光譜整形。自準直凹面光譜調制CTSI光譜分解系統按光路順序描述如下來自CPA前端的激光光束經第一分光棱鏡8起偏，以布魯斯特角入射的p光通過1/4波片7，再通過第一凹面反射鏡1和第二凹面反射鏡2組成的像傳遞系統，在第一光闌6處聚焦，因此照明系統由第一凹面反射鏡l，第一光闌6和第二凹面反射鏡2構成，第一光闌成為本光譜整形調制系統結構的輸入孔徑光闌，光束經第二凹面反射鏡2變換后為平行光束照射到第一光柵3面上，構成準直系統。由于采用激光照明這里用像傳遞系統第一光闌6代替了入射狹縫。對于后面的系統而言，第一光闌6的孔徑成為替代的實際的光源，限制著進入自準直凹面光譜調制光譜整形調制系統結構的光束。由第一光闌6的孔徑發出的光束經準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構成的色散系統，接著衍射光經第三凹面反射鏡4成像在凹面凹面光譜調制反射鏡5'上，至此構成一個完整的CTSI光譜分解系統。CTSI光譜分解系統以 光路順序表示為6-2-3-4-5'。光譜調制系統，凹面光譜調制反射鏡5'這里采用在凹面反射鏡上鍍制的高、低折射率交 替的微浮雕結構介質多層膜，多層介質調制凹面反射鏡可以做到在中心光譜附近實現幅度凹 陷而相位保持不變。光譜調制系統要求譜像面對于凹面光譜調制反射鏡5'表面的最大偏離小 于按瑞利(Rayliegh)準則導出的半焦深容限，在凹面光譜調制反射鏡5'表面的彌散斑直徑2dr'，或是在色散方向的彌散寬度a'小于確定的數值a。。凹面光譜調制反射鏡5'其反射光強分布則調制到所需光譜分布結構，如圖4所示曲線給出了在中心波長附近處進行不同深度光 譜調制的結果，圖4中，曲線1為輸入啁啾脈沖光譜分布；曲線2為光譜整形多層介質微浮 雕結構反射鏡的反射調制曲線；曲線3為整形后脈沖光譜分布。自準直凹面光譜調制CTSI光譜合成系統經凹面光譜調制反射鏡5'的調制反射光原路返 回，這樣的系統類似自準直成像系統和色散系統。其特點是結構簡單、緊湊。而且與利特羅 (Littrow)系統不同，反射光通過前面的CTSI光譜分解系統6-2-3-4-5'時，光線傳輸一致成 色散相減的系統。按光路描述如下來自凹面光譜調制反射鏡5'的調制反射光，又由凹面光 譜調制反射鏡5'反射，經原路返回到第三凹面反射鏡4,準直到第一光柵3形成色散相減的 結構，光束平行入射到第二凹面反射鏡2再聚焦到第一光闌6構成一個完整的CTSI光譜合成 系統；該系統以光路順序表示為5'-4-3-2-6。經CTSI光譜合成系統合成后的光束從第一光 闌6出射，經第一凹面反射鏡1變換為平行光束，完成光譜分解、調制及合成的啁啾脈沖通 過1/4波片7后，偏振旋轉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，輸入到后級固體放大介質中放大。應用于ICF激光驅動器 追求研制高功率固體激光器的譜調整。由凹面光譜調制反射鏡5'反射的光經原路返回到第三 凹面反射鏡4，成像到色散系統，呈自準直系統。由于光線經原路返回中，可以使剩余色散 相減為零。通過自準直凹面光譜調制光譜整形調制系統結構調制后得到所需光譜分布結構， 如圖5所示，其光譜整形調制結果為，在1053nm中心波長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，相對幅度調制可達60%。本實例中，所述的凹面光譜調制反射鏡5'可以替換為微鏡結構凹面反射鏡；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制器的凹面反射鏡；或微機電 薄膜凹面反射鏡MIMS;或連續變形凹面反射鏡；或Bimorph凹面變形鏡；或棱鏡/波導耦合 凹面反射鏡；或變柵距光柵凹面反射鏡，調制方法與本實施例一樣，同樣可以實現啁啾脈沖 放大的光譜調制和光譜整形，并得到所需光譜分布結構。
權利要求
1.一種用于啁啾脈沖放大的光譜整形調制方法，其特征在于，采用成對稱的CTSI光譜分解系統與CTSI光譜合成系統，并采用光闌和平面光譜調制反射鏡構成的光譜調制系統，先將激光啁啾脈沖展開到光譜面，再在像平面上進行光譜調制，然后將調制后的光譜無畸變的還原為調制后的啁啾脈沖，包括以下步驟按設計光路順序描述來自CPA前端的激光光束經第一凹面反射鏡(1)變換為平行光后，依次經由第一光闌(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)構成的CTSI光譜分解系統準直、色散、成像；再經由第二光闌(10)與其上的平面光譜調制反射鏡(5)構成的光譜調制系統調制；然后經由第四凹面反射鏡(4′)，第二光柵(3′)，第五凹面反射鏡(2′)及第三光闌(6′)構成的CTSI光譜合成系統成像、色散相減、合成；完成光譜分解、調制及合成的啁啾脈沖通過第三光闌(6′)出射，由第六凹面反射鏡(1′)變換為平行光束，輸入到后級固體放大介質中放大。
1. 一種用于啁啾脈沖放大的光譜整形調制方法，其特征在于，采用成對稱的CTSI光譜 分解系統與CTSI光譜合成系統，并采用光闌和平面光譜調制反射鏡構成的光譜調制系統，先 將激光啁啾脈沖展開到光譜面，再在像平面上進行光譜調制，然后將調制后的光譜無畸變的 還原為調制后的啁啾脈沖，包括以下步驟-按設計光路順序描述來自CPA前端的激光光束經第一凹面反射鏡(1)變換為平行光后， 依次經由第一光闌(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)構成的CTSI光譜分解系統準直、色散、成像；再經由第二光闌(10)與其上的平面光譜調 制反射鏡(5)構成的光譜調制系統調制；然后經由第四凹面反射鏡(4')，第二光柵(3')，第五 凹面反射鏡(2')及第三光闌(6')構成的CTSI光譜合成系統成像、色散相減、合成；完成光譜 分解、調制及合成的啁啾脈沖通過第三光闌(6')出射，由第六凹面反射鏡(l')變換為平行光束， 輸入到后級固體放大介質中放大。
2. 根據權利要求1所述的光譜整形調制方法，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，且其位置對稱，所述色散相減時兩光柵轉動方向應 滿足以下要求以逆向正常光路方向從CTSI光譜合成系統追跡不同波長光譜的排列，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. 根據權利要求1所述的光譜整形調制方法，其特征在于，所述第一光闌(6)和第三光 闌(6')均為實共焦望遠鏡像傳遞照明系統的孔徑光闌；所述照明系統由第一凹面反射鏡(l)， 第一光闌(6)和第二凹面反射鏡(2)構成，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，不改變來自CPA前端的激 光束的時間和空間分布，照明系統相對孔徑與色散系統和成像系統的相對孔徑匹配，且保證 通光口徑能充滿色散系統的口徑；所述第二光闌(10)為檔光板與其在平面光譜調制反射鏡(5)中的像構成的狹縫光闌，所有光闌均應滿足孔徑的正常寬度a。條件，或CTSI光譜分解系統和CTSI光譜合成系統能達到的衍射半寬度"。條件，同時第二光闌(10)與第三光闌(6')應通過激光啁啾脈沖帶寬內所有頻譜的光；所述光學元件全部選用相對色散元件成對稱型的成像系統， 或者光學元件相對色散元件成不對稱以補償像差的成像系統;所述CTSI光譜分解系統與CTSI 光譜合成系統的準直、成像系統的焦距相等，橫向放大率相等，或者CTSI光譜合成系統與 CTSI光譜分解系統結構完全對稱，并且以逆向正常光路方向從CTSI光譜合成系統追跡的系統與CTSI光譜分解系統的準直、成像系統的焦距對應相等，橫向放大率相等；所述凹面反射 鏡均要求在整個工作波段內嚴格消除色差、球差，彗差，像散和場曲，使譜像面對于平面光 譜調制反射鏡表面的最大偏離小于按瑞利準則導出的半焦深容限。
4. 根據權利要求1所述的光譜整形調制方法，其特征在于，所述平面光譜調制反射鏡采 用多層介質膜微浮雕結構的平面光譜調制反射鏡；或微鏡結構反射鏡；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制器的反射鏡；或^[機電薄膜反射鏡MIMS;或連 續變形反射鏡；或Bimorph變形鏡；或棱鏡/波導耦合反射鏡；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制方法，其特征在于，采用平面調制自準直的 CTSI光譜分解系統與CTSI光譜合成系統，并采用光闌和平面光譜調制反射鏡構成的光譜調 制系統，先將激光啁啾脈沖展開到光譜面，再在像平面上進行光譜調制，然后將調制后的光 譜無畸變的還原為調制后的啁啾脈沖，包括以下步驟按設計光路順序描述來自CPA前端的激光束經第一分光棱鏡(8)起偏，通過l/4波片 (7)及第一凹面反射鏡(1)變換后，依次經由第一光闌(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)構成的CTSI光譜分解系統準直、色散、成像；再經由第二光闌(10)與其上的平面光譜調制反射鏡(5)構成的光譜調制系統調制；之后調制反射光由中心對稱凹面反射鏡(4")反射，經原路返回到第二光闌(10)及其上的平面光譜 調制反射鏡(5)再次調制，再返回到第三凹面反射鏡(4)，準直到第一光柵(3)形成色散 相減的結構，光束平行入射到第二凹面反射鏡(2)聚焦到第一光闌(6)構成CTSI光譜合成 系統成像、色散相減、合成；完成光譜分解、調制及合成的啁啾脈沖從第一光闌(6)出射；經 第一凹面反射鏡(1)，通過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，輸入到后級固體放大介質中放大。
6. 根據權利要求5所述的光譜整形調制方法，其特征在于，所述第一光闌(6)為實共焦 望遠鏡像傳遞照明系統的孔徑光闌；所述照明系統由第一凹面反射鏡(l)，第一光闌(6)和第 二凹面反射鏡(2)構成，在保證正常寬度要求的相干同相入射的條件下，不改變來自CPA前端 的激光束的時間和空間分布，照明系統相對孔徑與色散系統和成像系統的相對孔徑匹配，且 保證通光口徑能充滿色散系統的口徑；所述第二光闌(10)為檔光板與其在平面光譜調制反射鏡(5)中的像構成的狹縫光闌，所有光闌均應滿足孔徑的正常寬度"。條件，或CTSI光譜分解 系統和CTSI光譜合成系統能達到的衍射半寬度"。條件，同時第二光闌(10)與第三光闌(6')應通過激光啁啾脈沖帶寬內所有頻譜的光；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工作波段內嚴格消除色差、球差，彗差，像散和場曲，使譜像面對于平面光譜調制反射鏡表面的最大偏離小于按瑞利準則導出的半焦深容限；所述光學元件 全部選用相對色散元件成對稱型的成像系統，或者光學元件相對色散元件成不對稱補償像差 的成像系統。
7. 根據權利要求5所述的光譜整形調制方法，其特征在于，所述平面光譜調制反射鏡采 用多層介質膜微浮雕結構的平面光譜調制反射鏡；或微鏡結構反射鏡；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制器的反射鏡；或微機電薄膜反射鏡MIMS;或連 續變形反射鏡；或Bimorph變形鏡；或棱鏡/波導耦合反射鏡；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制方法，其特征在于，采用凹面調制自準直的 CTSI光譜分解系統與CTSI光譜合成系統，并采用凹面光譜調制反射鏡構成光譜調制系統， 先將激光啁啾脈沖展開到光譜面，再在像平面上進行光譜調制，然后將調制后的光譜無畸變 的還原為調制后的啁啾脈沖，包括以下步驟按設計光路順序描述來自CPA前端的激光光束經第一分光棱鏡(8)起偏，通過l/4波 片(7)及第一凹面反射鏡(1)變換后，依次經由第一光闌(6)，第二凹面反射鏡(2)，第 一光柵(3)，第三凹面反射鏡(4)及凹面光譜調制反射鏡(5')構成的CTSI光譜分解系統 準直、色散、成像；經由凹面光譜調制反射鏡(5')構成的光譜調制系統調制；之后調制反 射光又由凹面光譜調制反射鏡(5')反射，經原路返回到第三凹面反射鏡(4)，準直到第一 光柵(3)形成色散相減的結構，光束平行入射到第二凹面反射鏡(2)聚焦到第一光闌(6) 構成的CTSI光譜合成系統成像、色散相減、合成；完成光譜分解、調制及合成的啁啾脈沖從 第一光闌(6)出射，經第一凹面反射鏡(1)，通過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，輸入到后級固體放大介質中放大。
9. 根據權利要求8所述的光譜整形調制方法，其特征在于，所述第一光闌(6)為實共焦 望遠鏡像傳遞照明系統的孔徑光闌；所述照明系統由第一凹面反射鏡(l)，第一光闌(6)和第 二凹面反射鏡(2)構成，在保證正常寬度要求的相干同相入射的條件下，不改變來自CPA前端 的激光束的時間和空間分布，照明系統相對孔徑與色散系統和成像系統的相對孔徑匹配，且保證通光口徑能充滿色散系統的口徑；所述孔徑光闌應滿足孔徑的正常寬度^條件，或CTSI光譜分解系統和CTSI光譜合成系統能達到衍射半寬度"。條件，同時應滿足通過激光啁啾脈沖 帶寬內所有頻譜的光；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 求在整個工作波段內嚴格消除色差、球差，彗差，像散和場曲，使譜像面對于平面光譜調制 反射鏡表面的最大偏離小于按瑞利準則導出的半焦深容限；所述光學元件全部選用相對色散 元件成對稱型的成像系統，或者光學元件相對色散元件成不對稱補償像差的成像系統。
10.根據權利要求8所述的光譜整形調制方法，其特征在于，所述凹面光譜調制反射鏡 采用多層介質膜微浮雕結構的凹面光譜調制反射鏡；或微鏡結構凹面反射鏡；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制器的凹面反射鏡；或微機電薄 膜凹面反射鏡MIMS;或連續變形凹面反射鏡；或Bimorph凹面變形鏡；或棱鏡/波導耦合凹 面反射鏡；或變柵距光柵凹面反射鏡。
全文摘要
本發明涉及一種用于啁啾脈沖放大(CPA)系統的光譜整形調制方法。該方法在光譜調制整形過程中，采用改進的CTSI系統，即采用成對稱的CTSI光譜分解系統和CTSI光譜合成系統，并采用光譜調制系統；利用CTSI光譜分解系統先將激光啁啾脈沖完全真實展開到光譜面，再利用光譜調制系統在像平面上進行光譜調制，然后利用CTSI光譜合成系統將調制后的光譜無畸變的還原為調制后的啁啾脈沖，達到啁啾脈沖光譜調制整形的目的。本發明方法可對一般激光脈沖實現光譜調制和光譜整形，尤其適用于幾個納米帶寬的大口徑大能量高功率啁啾脈沖放大系統的光譜調制和光譜整形。
文檔編號G02B17/06GK101231385SQ200810044818
公開日2008年7月30日 申請日期2008年2月26日 優先權日2008年2月26日
發明者彬 張, 戴亞平, 銘 李, 韜 王 申請人:四川大學