專利名稱：變焦距的行波泵浦方法
本方法屬于應(yīng)用光學(xué)和激光技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
一九八六年由西德F.P.Schaefer教授提出行波泵浦方法用于X射線激光研究。這一行波泵浦是用同軸光錐作會(huì)聚元件，把紫外波段超短脈沖激光反射到一條纖維靶上，靶被激光照明后，產(chǎn)生高溫高密度等離子體。這些等離子體正是X射線激光所需要的工作物質(zhì)。同軸光錐的照明光路及其方法示于圖1。(西德，F(xiàn).P.Schaefer，“ON Some Pooperfies of Axicono”＜Appl.phy.B，39，1-8 86＞)紫外激光由右向左入射到同軸光錐后，外圓的光線經(jīng)錐面反射到纖維靶的左端(遠(yuǎn)端)，走的光程最長(zhǎng)，處于光束中心的光直達(dá)靶的右端(近端)，走的光程最短。走最短光程的光，首先作用于靶的近端，然后隨激光波的傳布，來自離開光束中心的光逐漸地作用于靶上。纖維靶從右端向左端被紫外激光輻照產(chǎn)生等離子體，并被泵浦到高能態(tài)。實(shí)現(xiàn)了等離子體被激光波的行進(jìn)逐步泵浦的行波泵浦。這一行波泵浦解決了X射線激光研究中，用非球面即拋物面透鏡(上海光機(jī)所，〈中國(guó)科學(xué)〉(A)26，P657，83，Investigatio of soft x-ray popution Inversion in Jaser Produced Plasma″柱面鏡(法國(guó)P.Jaegle等，“X-ray Jaser reserch at palaeseau”〈Internation Colloquium on X-ray Jasers，86〉等作激光能量會(huì)聚元件所不能克服的，短脈沖激光泵浦同極短的受激態(tài)壽命和X光子傳輸?shù)倪^程，在時(shí)間上難于匹配的問題，同時(shí)行波泵浦方法也免去了為獲得X射線激光要耗費(fèi)巨資去建立龐大的激光系統(tǒng)。
但是，由泵浦過程看出，圓錐照明的線狀等離子體可能產(chǎn)生的X射線激光只能向著左端遠(yuǎn)離錐頂方向引出，而不能向著右端方向輸出。這是因?yàn)閳A錐頂本身的存在，而且也不能在線狀等離子體的兩端加入X射線的反射鏡，構(gòu)成激光振蕩腔或X射線激光腔。同一原因，即使等離子體已波泵浦到極高的粒子粒反轉(zhuǎn)能級(jí)，它也不能用作X射線激光放大器。
本發(fā)明的目的，為了克服上述所指出的存在問題，使焦線不與會(huì)聚元件相交，用線狀等離子體作X射線激光振蕩或放大的工作物質(zhì)、有利于靶的研制和安裝，提出變焦距的行波泵浦方法，并且，這一行波泵浦方法也可用于其它激光。
本發(fā)明由圖2所示，包括泵浦源，會(huì)聚元件，用于產(chǎn)生激光工作物質(zhì)的被泵浦材料以及作為激光振蕩腔板的反射鏡，其會(huì)聚元件是圓臺(tái)面鏡。
由泵浦源提供的平行激光光束，是垂直于作為會(huì)聚元件的圓臺(tái)面鏡的中心軸線而入射到圓臺(tái)面鏡曲面上、經(jīng)圓臺(tái)面鏡作用，將平行光束會(huì)聚成一條焦線。此焦線與中心軸線之間有一小的夾角β，焦線的兩端均可以安置與焦線垂直的反射鏡;或者作為放大器的輸入輸出端。
圓臺(tái)面鏡的曲率半經(jīng)是從Rmax(最大半經(jīng))到Rmin(最小半經(jīng))連續(xù)改變的，其焦距fz也是連續(xù)變化的。平行光束經(jīng)圓臺(tái)面鏡會(huì)聚后，形成的光斑f1f2是線狀的，稱為焦線。
圓臺(tái)面鏡的焦距fz表達(dá)式為
fz＝[1/(n-1)][Rmax-Z(tgα)]……(1)(1)式中n為圓臺(tái)面鏡所用材料的折射系數(shù)，Rmax是圓臺(tái)面鏡的最大半經(jīng);Z是所要計(jì)算的點(diǎn)到圓臺(tái)面鏡最大半經(jīng)Rmax圓端面的距離，α為圓臺(tái)面鏡母線與半經(jīng)為Rmax圓端面之間的夾角。
圓臺(tái)面鏡的焦線f1f2的長(zhǎng)度表達(dá)式為f1f2＝(Rmax-Rmin)/cos｛tg-1[H/(Rmax-Rmin)]｝……(2)(2)式中H為圓臺(tái)面鏡的高，Rmin為圓臺(tái)面鏡最小半經(jīng)。
當(dāng)光束的寬度h不等于圓臺(tái)面鏡的高H時(shí)，也就是說，當(dāng)光束入射到圓臺(tái)面鏡上，光束不能充滿圓臺(tái)面鏡時(shí)，光束經(jīng)會(huì)聚后，獲得的焦線f1f2其表達(dá)式為f1f2＝(r2-r1)/cos｛tg-1[h/(r2-r1)]｝……(3)(3)式中r2，r1分別為寬為h的平行光束入射到圓臺(tái)面鏡上，其邊緣對(duì)應(yīng)于圓臺(tái)面鏡Rmax，和Rmin的半經(jīng)。
圓臺(tái)面鏡的焦線f1f2與圓臺(tái)面鏡的中心軸線之間的夾角β表達(dá)式為β＝ctg-1[(Rmax-Rmin)/H(n-1)]……(4)從式(1)至(4)，可以得出1).焦距是連續(xù)改變的;
2).聚焦后得到的焦斑是線狀的，并與中心軸線有一小的夾角β。
3).雖然焦線與中心軸線有一夾角β，但焦線不與會(huì)聚元件相交。
上述圓臺(tái)面鏡可以是圓臺(tái)面透鏡，也可以是圓臺(tái)面反射鏡，參看圖4。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)1.本變焦距行波泵浦方法，焦線不與會(huì)聚元件相交，焦線兩端均可以作輸入輸出端，或者置放反射鏡。所以泵浦獲得的高粒子數(shù)反轉(zhuǎn)介質(zhì)，既可作放大器的工作物質(zhì)，也可作振蕩器的工作物質(zhì)，尤其是對(duì)于X射線激光器顯得更為突出;
2.本方法可以泵浦的介質(zhì)不僅僅是線狀的，也可以是平面狀的，被泵浦的介質(zhì)可以精確安置在焦斑上，整個(gè)焦斑都不會(huì)離焦;
3.本發(fā)明的泵浦方法，焦斑f1f2容易調(diào)整，其長(zhǎng)度能使光束脈沖寬度與激發(fā)態(tài)壽命在時(shí)間上匹配，而且折射效率高;
4.本發(fā)明可用于泵浦線狀或平面狀靶，因而減少了靶的研制和固定的困難。


圖1，同軸光錐聚焦光路圖。1平行光束;2帶孔的同軸光錐;3焦線。
圖2，變焦距行波泵浦方法示意圖。2-a作為激光振蕩器示意圖;2-b作為放大器的示意圖。4圓臺(tái)面透鏡;5靶;M1、M2激光腔板。
圖3，圓臺(tái)面鏡變焦距原理示意圖。3-a幾何坐標(biāo);3-b y-z平面的剖面圖。
圖4，圓臺(tái)面鏡聚焦光路圖。4-a為圓臺(tái)面透鏡;4-b為圓臺(tái)面反射鏡。
圖5，變焦距泵浦的染料激光器。6泵浦源的平行光束;7染料槽;8染料激光。
實(shí)施例1泵浦源參數(shù)激光能量5焦耳;脈沖寬度為50微微秒;發(fā)散角為0.1毫弧度，行波在50PS(微微秒)內(nèi)傳輸距離為1.5厘米。要得到1.3×1014W/cm2的功率，考慮到光束發(fā)散角的問題，焦距平均值應(yīng)取5厘米，圓臺(tái)面透鏡參數(shù)則為當(dāng)n＝1.53時(shí)，半徑Rmax＝3.15cm，Rmin＝2.15cm;
焦距fmax＝5.94cm，fmin＝4.05cm;
因不同焦距對(duì)于發(fā)散角接近衍射極限的激光束，產(chǎn)生的焦斑相差極小。則在0.1mrd(毫弧度)時(shí)對(duì)應(yīng)fmax與fmin引起焦斑差僅為0.9μm。
用上述泵浦條件獲得每厘米為10的增益介質(zhì)，在1.5厘米X射線激光放大器上可給出15倍的放大倍數(shù)。
實(shí)施例2圓臺(tái)面透鏡用于染料激光器?？梢宰龀删o湊的變焦距行波泵浦的染料激光器，把圓臺(tái)面鏡與染料池粘合或加工成一體。圓臺(tái)面透鏡設(shè)計(jì)成最小半徑rmin＝15mm，最大半徑rmax＝25mm;所采用的材料n＝1.53時(shí)，則透鏡的焦距fmin＝28.3mm，fmax＝47.1mm。
權(quán)利要求
1.一種屬于應(yīng)用光學(xué)和激光技術(shù)領(lǐng)域的變焦距的行波泵浦方法，包括泵浦源、會(huì)聚元件、激光工作物質(zhì)和反射鏡，其特征在于泵浦源提供的平行激光束垂直于作為會(huì)聚元件的圓臺(tái)面鏡的中心軸線入射于它的曲面上，會(huì)聚在靶上的焦線兩端分別可置放反射鏡，其圓臺(tái)面鏡的曲率半徑從最大半徑Rmax至最小半徑Rmin連續(xù)改變，它的焦距fz也隨其連續(xù)變化，表達(dá)式為fz=[1/(n-1)][Rmax-Z(tgα)]……………………………(1)圓臺(tái)面鏡的焦線f1f2的表達(dá)式為f1f2=(Rmax-Rmin)/cos{tg-1[H/(Rmax-Rmin)]}………(2)(1)式中n為圓臺(tái)面鏡所采用材料的折射系數(shù)，Z是所要計(jì)算的點(diǎn)到圓臺(tái)面鏡的半徑為Rmax的圓端面的距離，(2)式中H為圓臺(tái)面鏡的高。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種變焦距的行波泵浦方法，其特征在于圓臺(tái)面鏡是圓臺(tái)面透鏡或者是圓臺(tái)面反射鏡。
全文摘要
本發(fā)明屬于應(yīng)用光學(xué)和激光技術(shù)領(lǐng)域的一種變焦距的行波泵浦方法。采用圓臺(tái)面鏡作為激光會(huì)聚元件，泵浦源為超短脈沖的激光，可以泵浦線狀的或平面的工作物質(zhì)。平行的激光束垂直于圓臺(tái)面鏡的中心軸線入射于圓臺(tái)面鏡的曲面上，它的焦線兩端均可作為輸入輸出端，或置放反射腔板。焦距隨圓臺(tái)面鏡曲線半徑的連續(xù)改變而連續(xù)變化。其焦線不會(huì)與圓臺(tái)面鏡相交，而且長(zhǎng)度可以調(diào)整。本發(fā)明可用于激光振蕩器或放大器，特別是用于X射線激光器，它的激光靶容易固定、便于支撐。還具有折射效率高的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G02B7/04GK1049414SQ8910559
公開日1991年2月20日 申請(qǐng)日期1989年8月8日 優(yōu)先權(quán)日1989年8月8日
發(fā)明者歐陽斌, 林禮煌, 沈桂榮 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所