一種消除子光柵密度差的調整方法及調整裝置與流程

本發明涉及拼接光柵壓縮器的調試方法，具體涉及一種基于子口徑光束空-譜干涉、引入光柵平移量消除拼接光柵壓縮器中子光柵間線密度差調整方法。

背景技術：

在超強激光啁啾脈沖放大系統中，壓縮器是非常關鍵的部分。目前使用最廣泛的壓縮器是平行光柵對壓縮器，光柵的口徑和損傷閾值是限制裝置輸出能力的主要因素，光柵拼接技術是擴大光柵口徑、提高系統輸出能力的重要措施。光柵拼接技術的核心是高精度地控制各種拼接誤差，除了光柵角度、位置等的安裝誤差外，子光柵之間的線密度差也會嚴重影響輸出激光脈沖的時空特性，子光柵之間的線密度不一致會導致子口徑光束發生角度偏移，使遠場光斑變大，還會引入色散變化，使輸出脈沖脈寬展寬，降低脈沖峰值功率密度。因此有效地消除拼接光柵壓縮器中子光柵間線密度差的影響有利于提高裝置輸出激光脈沖的性能。

目前補償拼接光柵壓縮器線密度差影響的通用方法是配對誤差補償法，即引入繞母線旋轉的角度誤差，使子口徑光束的遠場重合，該方法只能校正由線密度差引起的出射光角度偏移，并不能補償線密度差導致的色散變化，并且只適用于線密度差較小的情況，當子光柵之間有較大的線密度差時，該方法不能消除脈寬展寬效應。事實上，對于光柵線密度標稱值一致的不同批次光柵之間往往會有較大的線密度差，此時利用普通的拼接誤差監控與調試方法難以得到變換極限的脈寬。

技術實現要素：

針對上述現有技術中存在的問題，本發明提供一種消除子光柵密度差的調整方法，有效消除或降低拼接光柵線密度差對壓縮器輸出脈沖的影響，有助于獲得變換極限的脈寬，并且能夠直觀、簡便地對拼接型光柵壓縮器進行調試。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：一種消除子光柵密度差的調整方法，包括如下步驟：

步驟一、拼接光柵壓縮器中設置有雙程折返鏡和子光柵對，所述子光柵對之間存在線密度差，所述雙程折返鏡固定在光柵架上，所述子光柵對安裝在光柵架上并可旋轉和移動，激光源的輸出光經第一半透半反鏡跨拼縫注入有線密度差的拼接光柵壓縮器，其出射光經第二半透半反鏡后分為兩部分，一部分光通過科學面級CCD來監測遠場光斑形態，用于校正出射光角度偏移，另一部分光通過光柵光譜儀進行空-譜干涉實驗，用于補償光柵線密度差的色散變化；

步驟二、如果壓縮器的子光柵間存在較大的線密度差，在子光柵共面的情況下其遠場焦斑形態表現為分離的光斑，通過引入繞母線旋轉的角度誤差校正出射光偏移，在科學面級CCD上觀察壓縮器輸出光的遠場光斑是否重合；

步驟三、引入光柵平移量補償由光柵線密度差引起的色散變化，即將有刻線密度差的光柵沿子光柵對中心連線的方向平移，將基準光與待校正光導入同一個光柵光譜儀產生空-譜干涉條紋，在平移光柵的過程中觀察干涉條紋的變化，當條紋變得水平時就確認由光柵線密度差引起的色散變化得到了較好的補償。

進一步，所述步驟三中，所述的引入光柵平移量補償由光柵線密度差引起的色散變化的過程為：將有刻線密度差的光柵沿光柵法線方向平移，根據空-譜干涉條紋的變化情況判斷光柵平移方向是否正確，如果在平移過程中條紋的彎曲程度變大，說明光柵的平移方向錯誤，應向相反的方向平移；如果條紋的彎曲程度變小，說明光柵的平移方向正確，繼續平移直到條紋變得水平時即確認由光柵線密度差引起的色散變化得到了較好的補償。

進一步，所述步驟三中，所述基準光與待校正光是同一壓縮器輸出光的不同子口徑光束，其中基準光是拼接光柵壓縮器中無線密度差的子光柵對的出射光，或者是通過常規調試方法已經調試好的一組子光柵對的出射光，待校正光為拼接光柵壓縮器中存在線密度差的子光柵對的出射光。

進一步，在進行拼接光柵壓縮器子口徑光束空-譜干涉之前要消除測量光路引入的附加色散誤差，消除測量光路引入的附加色散誤差的具體過程為：在拼接光柵壓縮器前插入一個0°反射鏡，使激光源的輸出光不經過壓縮器而直接被0°反射鏡反射，反射后的光通過測量光路，用該反射光中的子口徑光束進行空-譜干涉，觀察空-譜干涉條紋，通過第一驅動部和第二驅動部同時調整測量光路的光程，當干涉條紋變成水平直條紋時就說明由測量光路引入的附加色散誤差消除，消除附加色散誤差后去掉在拼接光柵壓縮器前插入的0°反射鏡。

一種消除子光柵密度差的調整裝置，包括激光源輸出機構、拼接光柵壓縮器機構、科學面級CCD監測機構和空-譜干涉調整機構；

所述激光源輸出機構包括激光源、透鏡和第一反射鏡，激光源的輸出光經透鏡和第一反射鏡后由第一半透半反射鏡注入拼接光柵壓縮器機構；

所述拼接光柵壓縮器機構設置有雙程折返鏡、第一子光柵、第二子光柵、第三子光柵和第四子光柵，所述雙程折返鏡、第一子光柵、第二子光柵、第三子光柵固定在光柵架上，所述第四子光柵安裝在光柵架上并由第三驅動部進行驅動，所述拼接光柵壓縮器機構出射的光經第二半透半反射鏡分別注入科學面級CCD監測機構和空-譜干涉調整機構；

所述科學面級CCD監測機構包括第二反射鏡和透鏡，所述第二反射鏡接受第二半透半反射鏡注入的光，然后通過監測科學面級CCD監測遠場光斑；

所述空-譜干涉調整機構包括第三半透半反射鏡，第四半透半反射鏡、第三反射鏡、第四反射鏡、第五反射鏡、第六反射鏡、第七反射鏡、第八反射鏡、第九反射鏡和第十反射鏡，所述第七反射鏡固定在第一驅動部，所述第八反射鏡固定在第二驅動部；第三半透半反射鏡接受第二半透半反射鏡注入的光后分成反射光和透射光，反射光經第三反射鏡、第四反射鏡以及第五反射鏡后與透射光經第五反射鏡、第六反射鏡、第七反射鏡、第八反射鏡、第九反射鏡和第十反射鏡后均到達第四半透半反射鏡，并通過第四半透半反射鏡進入光柵光譜儀進行空-譜干涉。

進一步，所述空-譜干涉調整機構還包括第一光闌和第二光闌，所述第一光闌位于第五反射鏡和第四半透半反射鏡之間，所述第二光闌位于第九反射鏡和第十反射鏡之間。

進一步，所述第一驅動部和第二驅動部均為移動導軌。

本發明的有益效果如下：

(1)、本發明可以有效地補償子光柵間線密度差引起的色散變化，消除/降低線密度差對壓縮器輸出激光脈沖的影響，在一定程度上可以降低光柵的制作難度。

(2)、利用干涉條紋的形狀判斷基準光與待校正光間色散差的過程為：干涉條紋的彎曲方向反映色散差的正負，干涉條紋的彎曲程度反映色散差的大小，彎曲程度越大，表示色散差越大，能夠直觀地反映色散變化的補償情況，使對拼接型光柵壓縮器的調試變得更為簡便。

(3)、本方法采用焦斑形態的調整和補償色散，來同時兼顧輸出光束的空間和時間特性，并且不僅能校正由線密度差小的情況，也能校正子光柵之間有較大的線密度差時，消除脈寬展寬效應。

附圖說明

圖1為本發明的拼接光柵壓縮器子光柵間線密度差補償示意圖；

圖2為本發明的基準光與待校正光進行空-譜干涉的實驗光路示意圖；

圖3為本發明的壓縮器出射光遠場光斑圖案；

圖4為本發明的基準光與待校正光的空-譜干涉圖案；

圖中各符號的含義：G₁₁、G₁₂、G₂₁、G₂₂分別為拼接光柵壓縮器的第一子光柵、第二子光柵、第三子光柵和第四子光柵，G₂₂′、G₂₂″表示第四子光柵G₂₂的不同位置，L₁、L₁、L₃分別為第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡，S₁、S₂、S₃、S₄分別為第一半透半反鏡、第二半透半反鏡、第三半透半反鏡和第四半透半反鏡，A₁、A₂分別為第一光闌和第二光闌，M₀為0°反射鏡，M為雙程折返鏡，M₁、M₂、M₃、M₄、M₅、M₆、M₇、M₈、M₉、M₁₀分別為第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡、第四反射鏡、第五反射鏡、第六反射鏡、第七反射鏡、第八反射鏡、第九反射鏡和第十反射鏡。

具體實施方式

為了使本領域的人員更好地理解本發明的技術方案，下面結合本發明的附圖，對本發明的技術方案進行清楚、完整的描述，基于本申請中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的其它類同實施例，都應當屬于本申請保護的范圍。

一種消除子光柵密度差的調整裝置，包括激光源輸出機構、拼接光柵壓縮器機構、科學面級CCD監測機構和空-譜干涉調整機構；

所述激光源輸出機構包括激光源、透鏡和第一反射鏡M₁，激光源的輸出光經透鏡和第一反射鏡M₁后由第一半透半反射鏡S₁一部分光注入拼接光柵壓縮器機構；

所述拼接光柵壓縮器機構設置有雙程折返鏡M、第一子光柵G₁₁、第二子光柵G₁₂、第三子光柵G₂₁和第四子光柵G₂₂，所述雙程折返鏡M、第一子光柵G₁₁、第二子光柵G₁₂、第三子光柵G₂₁固定在光柵架上，所述第四子光柵G₂₂安裝在光柵架上并由第三驅動部進行驅動，所述拼接光柵壓縮器機構出射的光經第二半透半反射鏡S₂分別注入科學面級CCD監測機構和空-譜干涉調整機構；

所述科學面級CCD監測機構包括第二反射鏡M₂和透鏡，所述第二反射鏡M₂接受第二半透半反射鏡S₂注入的光，然后通過監測科學面級CCD監測遠場光斑；

所述空-譜干涉調整機構包括第三半透半反射鏡S₃，第四半透半反射鏡S₄、第三反射鏡M₃、第四反射鏡M₄、第五反射鏡M₅、第六反射鏡M₆、第七反射鏡M₇、第八反射鏡M₈、第九反射鏡M₉和第十反射鏡M₁₀，所述第七反射鏡M₇固定在第一驅動部，所述第八反射鏡M₈固定在第二驅動部，所述第一驅動部和第二驅動部均為移動導軌；第三半透半反射鏡S₃接受第二半透半反射鏡S₂注入的光后分成反射光和透射光，反射光經第三反射鏡M₃、第四反射鏡M₄、第五反射鏡M₅以及第一光闌A₁后與透射光經第五反射鏡M₅、第六反射鏡M₆、第七反射鏡M₇、第八反射鏡M₈、第九反射鏡M₉、第二光闌A₂和第十反射鏡M₁₀后均到達第四半透半反射鏡S₄，并通過第四半透半反射鏡S₄進入光柵光譜儀進行空-譜干涉。

采用上述裝置，本發明消除子光柵密度差的調整方法，包括如下步驟：

步驟一、拼接光柵壓縮器中設置有雙程折返鏡M和子光柵對，所述子光柵對之間存在線密度差，所述雙程折返鏡M固定在光柵架上，所述子光柵對安裝在光柵架上并可旋轉和移動，激光源的輸出光經第一半透半反鏡S₁跨拼縫注入有線密度差的拼接光柵壓縮器，其出射光經第二半透半反鏡S₂后分為兩部分，一部分光通過科學面級CCD來監測遠場光斑形態，用于校正出射光角度偏移，另一部分光通過光柵光譜儀進行空-譜干涉實驗，用于補償光柵線密度差的色散變化；

步驟二、如果壓縮器的子光柵間存在較大的線密度差，在子光柵共面的情況下其遠場焦斑形態表現為分離的光斑，通過引入繞母線旋轉的角度誤差校正出射光偏移，在科學面級CCD上觀察壓縮器輸出光的遠場光斑是否重合；

步驟三、引入光柵平移量補償由光柵線密度差引起的色散變化，即將有刻線密度差的光柵沿子光柵對中心連線的方向平移，將基準光與待校正光導入同一個光柵光譜儀產生空-譜干涉條紋，所述基準光與待校正光是同一壓縮器輸出光的不同子口徑光束，其中基準光是拼接光柵壓縮器中無線密度差的子光柵對的出射光，或者是通過常規調試方法已經調試好的一組子光柵對的出射光，待校正光為拼接光柵壓縮器中存在線密度差的子光柵對的出射光。在平移光柵的過程中觀察干涉條紋的變化，當條紋變得水平時就說明由光柵線密度差引起的色散變化得到了較好的補償。所述的引入光柵平移量補償由光柵線密度差引起的色散變化的過程為：將有刻線密度差的光柵沿光柵法線方向平移，根據空-譜干涉條紋的變化情況判斷光柵平移方向是否正確，如果在平移過程中條紋的彎曲程度變大，說明光柵的平移方向錯誤，應向相反的方向平移；如果條紋的彎曲程度變小，說明光柵的平移方向正確，繼續平移直到條紋變得水平時即認為由光柵線密度差引起的色散變化得到了較好的補償。

在進行拼接光柵壓縮器子口徑光束空-譜干涉之前要消除測量光路引入的附加色散誤差，消除測量光路引入的附加色散誤差的具體過程為：在拼接光柵壓縮器前插入一個0°反射鏡M₀，使激光源的輸出光不經過壓縮器而直接被0°反射鏡M₀反射，反射后的光通過測量光路，用該反射光中的子口徑光束進行空-譜干涉，觀察空-譜干涉條紋，通過第一驅動部和第二驅動部同時調整測量光路的光程，當干涉條紋變成水平直條紋時就說明由測量光路引入的附加色散誤差消除，消除附加色散誤差后去掉在拼接光柵壓縮器前插入的0°反射鏡M₀。

實施例一：

如圖1所示，第一子光柵G₁₁、第二子光柵G₁₂、第三子光柵G₂₁、第四子光柵G₂₂為拼接光柵壓縮器的四塊子光柵，其中第一子光柵G₁₁、第二子光柵G₁₂和第三子光柵G₂₁的線密度為N，第四子光柵G₂₂的線密度為N′，子光柵間線密度差ΔN＝N′﹣N，當激光通過壓縮器時，第二子光柵G₁₂、第四子光柵G₂₂所構成的子光柵對由于存在線密度差，其出射光會發生角度偏移，偏移角度為β(相對于無線密度差時的出射光)。

本發明的基準光與待校正光進行空-譜干涉的實驗光路圖見圖2，選用的激光源為寬帶短脈沖光源，其輸出光經第一透鏡L₁、第二透鏡L₂擴束和第一反射鏡M₁后由第一半透半反鏡S₁跨拼縫注入有線密度差的拼接光柵壓縮器，其出射光經第二半透半反鏡S₂后分為兩部分，一部分光經第二反射鏡M₂和第三透鏡L₃用于監測遠場光斑形態，另一部分光經第三半透半反鏡S₃分成反射和透射兩路光，用于進行空-譜干涉實驗，其中反射光經第三反射鏡M₃、第四反射鏡M₄、第五反射鏡M₅以及第一光闌A₁后與透射光經第六反射鏡M₆、第七反射鏡M₇、第八反射鏡M₈、第九反射鏡M₉、第十反射鏡M₁₀以及第二光闌A₂后均到達第四半透半反鏡S₄，并通過第四半透半反鏡S₄進入光柵光譜儀進行空-譜干涉。

在進行子口徑光束空-譜干涉之前要消除測量光路引入的附加色散誤差，其中第三半透半反鏡S₃、第三半透半反鏡S₄采用相同材料且厚度相同，目的是用以消除附加元件自身的色散對系統色散測量的影響。具體操作過程為：在壓縮器前插入一個0°反射鏡M₀，使寬帶光源的輸出光不經過壓縮器而直接被M₀反射，反射后的光通過測量光路，同樣被第三半透半反鏡S₃分成反射和透射兩路光，用這兩路光進行空-譜干涉，觀察空-譜干涉條紋，將第七反射鏡M₇、第八反射鏡M₈均安裝在移動導軌上，可同時平移，當干涉條紋變成水平直條紋時就說明消除了由測量光路引入的附加色散誤差。消除附加色散誤差后去掉0°反射鏡M₀。

消除附加元件自身的色散對系統色散測量的影響后，通過引入光柵平移量來補償線密度差引起的色散變化，具體操作過程是將第四子光柵G₂₂繞光柵母線旋轉以校正壓縮器出射光的角度偏移，第四子光柵G₂₂旋轉后的位置如圖1中G₂₂′，然后引入光柵平移量補償光柵線密度差引起的色散變化，即將第四子光柵G₂₂沿拼接光柵中心連線方向平移，平移后的位置如圖1中G₂₂″。

圖3為本發明的壓縮器出射光遠場光斑圖，未進行線密度差補償時，壓縮器出射光的遠場光斑為分離的光斑(圖3(a))，引入繞母線旋轉的角度誤差校正壓縮器出射光的角度偏移后，壓縮器出射光的遠場光斑重合在一起(圖3(b))。

本發明實施例中激光源為寬帶光源，其輸出的激光脈沖譜寬約為8nm，中心波長為1053nm，經拼接光柵壓縮器后由第三半透半反鏡S₃分成透射和反射兩路光，通過兩支光路上的第一光闌A₁、第二光闌A₂進行擋光，使發射光路中來自光柵對第一子光柵G₁₁、第三子光柵G₂₁的光(圖3(a)中的右瓣光)與透射光路中來自光柵對第二子光柵G₁₂、第四子光柵G₂₂的光(圖3(a)中的左瓣光)在第四半透半反鏡S₄處會聚(圖3(c))并進入光柵光譜儀進行空-譜干涉。

本發明中的空-譜干涉實驗的核心是用壓縮器的同一束輸出光中的不同子口徑光束進行空-譜干涉，即將壓縮器中無線密度差的第一子光柵G₁₁、第三子光柵G₂₁的輸出光作為基準光，壓縮器中有線密度差的第二子光柵G₁₂、第四子光柵G₂₂的輸出光作為待校正光，將基準光與待校正光導入同一個光柵光譜儀產生空-譜干涉圖案。

利用空-譜干涉條紋的形狀判斷基準光與待校正光間色散差的過程為：干涉條紋的彎曲方向反映色散差的正負，干涉條紋的彎曲程度反映色散差的大小，彎曲程度越大，表示色散差越大(圖4(a)、(b))，如果在平移過程中條紋的彎曲程度變大，說明第四子光柵G₂₂的平移方向錯誤，應向相反的方向平移；如果條紋的彎曲程度變小，說明第四子光柵G₂₂的平移方向正確，繼續平移直到條紋變得水平(圖4(c))，即確認由光柵線密度差引起的色散變化得到了較好的補償。通過調整拼接光柵壓縮器機構中的第四子光柵G₂₂的位置(繞母線旋轉并沿子光柵對中心連線方向平移)，獲得了拼接光柵壓縮器線密度差影響被消除后的遠場光斑圖(圖3(b))和空-譜干涉圖案(圖4(c))。

此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。