用于高能激光PHELIX的望远镜透镜
参考项目
用于重离子实验的高功率激光光学
20多年来，达姆施塔特的GSI亥姆霍兹中心für Schwerionenforschung一直在研究开发用于高能物理领域基础研究的高功率高能激光器。PHELIX（用于重离子实验的Petawatt高能激光器的缩写）被计划用于研究等离子体物理学、天体物理学和原子物理学的基本过程。该系统的集成光束引导有助于利用重离子束进行组合实验，能够在长达60米的距离上控制激光束的方向，并在望远镜的帮助下进行，从而以恒定的光束质量减小激光束的尺寸。为了达到理想的成像质量，艾斯飞睿为该望远镜制作了两个高精度光学元件。
项目细节
早在20世纪90年代中期，位于达姆施塔特的GSI亥姆霍兹中心für Schwerioneforschung就开始规划和建造一种用于高能物理领域基础研究的高功率高能激光器，最后他们开发出用于重离子实验的Petawatt高能激光器（简称PHELIX），这是德国最大的脉冲操作激光系统，已经面向科学用户服务了十多年。PHELIX被用于研究等离子体物理学、天体物理学和原子物理学中的基本过程。该系统可以产生约500fs脉冲持续时间和200J能量的极短激光脉冲，以及具有高能量和纳秒范围内脉冲持续时间的脉冲。葛兰素史克研究所的研究特点是将强激光脉冲和重离子束相结合，这在欧洲是独一无二的。闪光灯泵浦钕玻璃系统由两个前端、一个前置放大器和一个主放大器组成，如下图所示。
图1：PHELIX激光系统的示意结构，标有光束路径
激光束可以通过长达60米的几个光束引导器引导到装置内的不同测量站，然后可以用于实验。为了促进重离子束和高功率激光器的联合实验，开发了一种新的束引导机制。这使得使用PHELIX脉冲产生的X射线脉冲来研究用来自重离子同步加速器的离子束照射的物质成为可能。光束引导包括一个望远镜，该望远镜旨在以恒定的光束质量缩小激光束的大小。为了达到理想的成像质量，艾斯飞睿为此生产了两种高精度光学元件。
项目实现
PHELIX内的高激光强度给集成光学组件提出了很高的要求，它们必须同时具有高精度和较大的直径，以便能够在长距离上引导激光束。艾斯飞睿为光束引导望远镜制造了两个由熔融二氧化硅制成的平凸球面透镜，其直径分别为200和350 mm，RMSi≤50 nm（四分之三的表面甚至小于20 nm），这些材料允许激光束在48.5 米的距离上传输（见图2），同时由于特殊材料而保持光束质量并承受高激光功率，其激光破坏阈值为45 J/cmÇ；1064nm；8纳秒。
图2：由两个平凸透镜组成的望远镜结构示意图。值以毫米为单位。
对于光学器件的生产，为所有工艺步骤制作了特殊的固定装置（见图3），并根据项目需求对测量程序进行了单独调整。所有镜片均涂有V型涂层。对于球面镜的运输，也需要生产新包装。艾斯飞睿开发了防倾斜和防震的特殊包装，使其能够顺利交付给客户。
图3：固定装置和一个由艾斯飞睿制造的光学元件。
PHELIX使用的光学元件一览：
- 生产两个由熔融二氧化硅制成的平凸球面透镜，表面涂有V型涂层
- 镜头规格：直径200和350毫米；RMSi≤50 nm和<20 nm
- 开发和生产定制的夹持装置和特殊的防倾斜、防震包装
