激光带宽抑制光束自聚焦效应的理论和实验研究

摘要

自聚焦是非线性光学中最常见最基本的物理问题之一,从上世纪六十年代起,自聚焦就一直是非线性光学领域热门的研究课题。
从实践的角度来看,自聚焦效应限制了允许通过介质的光功率,因为自聚焦通常会导致光学介质的损伤。在高功率固体激光装置中,自聚焦特别是小尺度自聚焦一直是设计高功率激光系统的限制因素。用于惯性约束核聚变( Inertial Confinement Fusion,简称 ICF)的激光驱动器,是高功率固体激光装置最典型的应用,而惯性约束聚变点火工程是《国家中长期科学和技术发展规划》的十六项重大专项之一。对用于ICF驱动的高功率固体激光系统而言,高能量、高效率和高光束质量的输出是实现靶丸快点火必需的要求和目标,而小尺度自聚焦引发的高功率激光多路成丝效应是限制固体玻璃激光器提高能量的主要因素。例如,美国劳仑斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)就在其激光运行报告中指出,小尺度自聚焦一直是用于ICF的激光驱动器总体设计、工程研制和安全运行的重大科学问题。
从上世纪七十年代起,大量的研究人员对由小尺度自聚焦所导致的光束分裂成丝产生了浓厚的兴趣。因为,高能量、高效率和高光束质量的输出,是用于 ICF驱动器的高功率固体激光系统的要求和目标,而小尺度自聚焦是限制固体玻璃激光器提高能量的主要因素。
为突破自聚焦效应对高功率固体激光系统输出能力的限制,寻找和提出有效的抑制方法,一直以来都是高功率激光技术领域的重要研究方向。从某种意义上说高功率固体激光系统的发展过程,主要是解决自聚焦特别是小尺度自聚焦问题的过程。小尺度自聚焦的根源是激光束振幅和相位的不规则分布,所以提高光束质量改善光束空间分布的均匀性一直是抑制小尺度自聚焦的主要方法和措施。包括空间滤波器、软边光阑、以及提高光学元件的制备精度等方法都是改善光束质量抑制小尺度自聚焦的常用方法。近年来,人们又陆续提出了一些新的抑制小尺度自聚焦的方法,包括利用发散光束、部分相干光和宽带激光等。
宽带激光被认为是用于突破由小尺度自聚焦效应引起的高功率固体激光系统的功率输出瓶颈的可能的技术路线。与单纵模的窄带激光相比,带宽的引入为激光的传输和控制提供了额外的自由度,这意味着随带宽引入的色散效应打破原本以衍射效应和非线性效应竞争的传输状态,使得色散与衍射一起与以小尺度自聚焦为主导的非线性效应形成竞争。因而,带宽的引入为抑制小尺度自聚焦提高光束近场均匀性提供了新的手段和可能性。因此,宽带激光有利于防止光束近场分布的均匀性因严重的小尺度自聚焦效应而出现明显的下降,从而能够保证最终产生高能量、高质量和高均匀性的三倍频聚焦光斑,提高靶面辐照的均匀性和靶丸的内爆效应。
本论文基于高功率固体激光驱动系统中高负载能量和高光束质量的需求,研究了小尺度自聚焦的形成机制和功率条件,探讨了不同类型的宽带激光在传输过程中的对小尺度自聚焦效应的作用规律,以及宽带激光自身的各个参量对小尺度自聚焦效应的抑制条件和抑制规律,获得的主要成果如下：
第一、研究了高斯光束发生小尺度自聚焦效应的功率条件。研究发现,高斯光束发生小尺度自聚焦效应所需的功率值与初始调制幅度有关,初始调制幅度越大,则高斯光束因小尺度自聚焦而分裂成丝所需的功率越小；反之,初始调制幅度越小则所需的功率越大。
第二、研究了由谱色散匀滑(Smoothing by Spectral Dispersion,简称SSD)装置产生的具有相位调制和光谱色散特性的小宽带脉冲激光(简称谱色散光束)的菲涅耳衍射,以及以衍射场为输入的小尺度自聚焦现象。研究发现,谱色散光束可以用来改善光束的近场均匀性。选择合适的SSD装置的元件参数可以提高光束质量,从而实现对小尺度自聚焦的抑制作用。
第三、研究了在宽带啁啾脉冲激光的小尺度自聚焦过程中,利用带宽抑制光束小尺度自聚焦效应的条件。研究发现,对于宽带啁啾脉冲激光而言,带宽可以在特定条件下用来抑制高功率激光系统中的小尺度自聚焦效应。当脉冲宽度一定时,带宽越大对空间小尺度自聚焦的抑制作用越明显,而当带宽一定时,脉宽越大带宽对小尺度自聚焦的抑制作用越有限；在不同脉宽条件下,对小尺度自聚焦实现相同程度的抑制作用,光束必须具有相同的带宽脉宽比,并且带宽脉宽比反映了带宽对小尺度自聚焦效应的抑制程度,比值越大则抑制作用越明显。
第四、实验研究了宽带啁啾脉冲激光的小尺度自聚焦效应,验证了利用带宽抑制小尺度自聚焦的相关特性。通过控制调制场的空间频率,利用宽带啁啾脉冲激光正弦调制的增长实验,证明了与单色平面波条件下的B-T理论相比,宽带啁啾脉冲激光的增益谱曲线,整体向高频方向移动。另外,针对宽带啁啾脉冲激光B积分增长曲线的实验研究,其结果表明,与准单色激光的B积分增长曲线相比,宽带啁啾脉冲激光的B积分增长曲线,其峰均比对比度迅速增长的B积分拐点后移,初始噪声缓慢增长的平坦区更长。
本文以提高高功率激光系统中激光光束控制能力和高能负载为目标,从不同角度针对不同类型的宽带脉冲激光,讨论带宽和其它相关光束参量在其线性和非线性传输过程中的影响规律,得到了一些新的认识,并提出了一些新的观点。

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附表索引

第1章 概 述

1.1 课题来源

1.2 选题背景和意义

1.3 自聚焦的基本概念

1.4 抑制小尺度自聚焦的方法

1.5 宽带激光抑制小尺度自聚焦的相关研究

1.6 本章小结及论文框架

第2章 小尺度自聚焦的基础理论

2.1 引言

2.2 小尺度自聚焦的基础理论

2.3 数值计算方法

2.4 数值计算实例----高斯光束正弦调制的增长

2.5 本章小结

第3章 高斯光束小尺度自聚焦的功率条件

3.1 引言

3.2 高斯光束小尺度自聚焦的理论分析

3.3 高斯光束小尺度自聚焦功率条件的数值模拟

3.4 本章小结

第4章 谱色散光束的菲涅耳衍射和小尺度自聚焦

4.1 引言

4.2 谱色散光束菲涅耳衍射的理论分析

4.3 谱色散光束菲涅耳衍射和小尺度自聚焦的数值模拟

4.4 本章小结

第5章 激光带宽抑制光束小尺度自聚焦效应的条件

5.1 引言

5.2 激光带宽抑制光束小尺度自聚焦的一般性条件

5.3 钕玻璃激光放大系统中利用带宽突破B积分受限的条件

5.4 本章小结

第6章 宽带脉冲激光小尺度自聚焦的实验研究

6.1 引言

6.2 宽带脉冲激光正弦调制增长实验

6.3 宽带脉冲激光B积分增长实验

6.4 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读博士学位期间已发表与待发表的论文