高功率激光非线性过程中的光束质量与传递特征

摘要

随着固体激光材料的广泛应用和克尔透镜锁模技术的成熟,超快光学技术获得了长足的发展。针对大型钕玻璃激光装置的需求牵引,本文着重研究了高功率激光非线性过程中光束质量与特性的传递过程,涉及1μm波长光经三次谐波转换后获得的紫外激光束空间光束质量及其在空气中传输时的拉曼散射效应;通过分析光参量放大过程中的位相转移机制,提出采用走离补偿方式来消除泵浦光不良相位的影响,重建信号光的相位,获得空间光束质量良好的信号光束。这些研究工作是根据实验中遇到的各情况,从理论上阐释其产生机制;反过来,得到的理论结果对于实验也有一定的指导意义。
　　 本文分以下部分进行论述:
　　 第一章,概述非线性光学的发展及现状,并着重介绍超快光学发展的重要技术和超快激光频率转换的主要方式。
　　 激光的发明开启了非线性光学领域研究的大门,而其在此后的近半个世纪的长足发展又得益于一些关键技术,包括:可靠易用的锁模超短脉冲激光振荡器的出现,其代表是克尔透镜锁模的钛宝石激光器;光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)技术,极大的解决了超快激光放大所面临的激光介质非线性破坏的可能性;实用的超快激光诊断技术,主要是时间和频率分辨的光学自相关技术等。在此基础上,新的非线性光学晶体的引入,使得依靠非线性光学手段特别是光参量放大技术实现频率调谐得到很大的发展,可获得更高功率超短脉冲,有望实现激光驱动的受控核聚变,从而获得巨大的能源。
　　 第二章,介绍了非线性光学的基础知识。
　　 介绍了一般的非线性过程三波相互作用的耦合波方程组,讨论了群速度色散效应及其控制与补偿、位相匹配条件与方法,并简要叙述了一些三阶非线性效应,如三倍频(THG)、饱和吸收(SA)、双光子吸收(TPA)、受激拉曼散射(SRS)、光克尔效应(OK)、自聚焦(SF)、四波混频(FWM)等。
　　 第三章,三倍频光的空间特性及其在空气中传输的SRS效应。
　　 为了满足惯性约束核聚变研究中对于三倍频系统的要求,我们分析了影响三倍频转换效率和光束质量的物理因素,包括基频光光强大小、偏振匹配角大小、基频光小尺度振幅和位相扰动的影响等。
　　 使用微扰理论分析了高功率激光的三次谐波在空气中的受激拉曼散射(SRS)效应,发现由于晶体表面纹波而导致的三次谐波的强度调制会因为受激拉曼散射而加剧,增益不稳定性也会随着空间调制周期的增大而加剧。基于非线性耦合波方程组的数值模拟证明了微扰分析的正确性。
　　 第四章,OPA/OPCPA过程泵浦光向信号光的位相传递。
　　 主要分析了泵浦光位相有调制时光参量放大(OPA)/光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)过程中信号光的空间特性。由于走离效应引起的泵浦光向信号间的位相转移与增益有关,在高增益OPA系统中,即使走离很小,也会使信号光光束质量严重降低,同时引起光束波面倾斜、波面发散/会聚。采用走离补偿的OPA结构可减弱相位转移幅度,从而保证信号光光束质量,这对于设计高能量光参量啁啾脉冲放大系统使非常重要的。
　　 第五章,本章理论分析了泵浦光有调制时光参量放大(OPA)过程的空间特性。数值计算表明当存在走离时,转移到信号光的位相调制的幅度会随非线性作用的长度的增加而增大,且在信号光初始位相无畸变时,其感应到的位相畸变为泵浦光位相调制的微分。泵浦光的强度调制同样会影响输出信号光,同时数值分析了泵浦光畸变部分转移到信号光的这种效应对信号光的增益(效率)的影响。我们证明在泵浦光为非衍射极限光束时,输出信号光的增益的最大值是在△k≠0的情况下获得的。这些结果对OPA系统的设计具有一定的指导意义。