激光相干合成中子光束一致性研究

摘要

在激光加工、激光定向能等应用中，对激光束亮度（功率、光束质量）提出了更高的需求。而单路激光器由于受热效应、非线性效应、激光器件的破坏阈值等因素影响，输出光束的亮度受到限制。为了进一步提高激光束亮度，光束相干合成技术得到日益重视。激光束相干合成系统中，子束光束质量、波前畸变等因素对合成效果的影响得到较为深入的研究。在相干合成研究的实际工作中发现，参加合成的子光束，除了各子光束参数分别相对于理想光束（平面波或高斯光束）的偏差是导致合成效率降低或光束质量劣化的因素外，从另一个角度来看，子束间的不一致可能是导致合成效率降低或合成光束质量受影响的另一因素。本文尝试从这一个新的视角开展一些探索性的研究工作。
　　首先，论文分析了光束拼接相干合成和光束叠加相干合成等两种光束相干合成的基本概念、关键技术，讨论了相干合成基本原理，认为参与合成的光束（在近场或远场）发生相遇是实现相干合成的必要条件，相遇时，子光束间的“重叠程度”，或者说相遇时子光束的“一致性”，是影响相干合成效果的本质因素。以两光束为例，相遇时，如果子束光束截面重叠、子束光强分布一致、合成区域的子束相位满足一定条件，则能得到最好的合成效果和最高的合成效率。
　　然后，研究了光束拼接相干合成中的光束一致性问题。在光束拼接相干合成中，子光束在近场拼接和控制，传输到远场相遇和重叠，发生干涉相长和相消，子光束近场的光强、光轴、相位等参数会影响各子束远场光斑的重叠程度，导致子束远场光斑的位置、光强、相位等参数的不一致，从而改变了远场干涉相长相消区域和程度，影响了光束拼接相干合成的光束质量和合成效率。此外，在光束合成装置的调试过程中，需要确保各子光束光轴、发散角等参数的一致性，如何准确方便地检测、判断各子光束的光轴平行性和离焦误差，是实际工作中的一个难点，对此，本文提出了采用剪切板进行实际光路调试过程中的光轴、发散角等参数一致性检测的方法，采用数值模拟进行了研究，并在实验中得到应用。开展了4路百瓦级板条固体激光相干合成实验研究，得到了光轴、活塞相位一致性控制系统开闭环情况下合成效果和能量集中度的变化数据，验证了光束拼接合成的相关技术。获得合成峰值强度达到理想值的95％，平均帧光束质量BQ为1.26，主瓣所含能量达到总能量的51％。
　　开展了光束叠加相干合成中光束一致性研究。在光束叠加相干合成中，子光束在合束镜处（近场）“相遇”发生干涉叠加，一端干涉相消，另一端干涉相长输出。通过理论研究和数值模拟，研究了仅考虑单一影响因素条件下，入射子光束在合束镜处“相遇”时的参数一致性对合成效率的影响。得到了子光束的光强一致性、光轴一致性、波面活塞相位一致性、发散角一致性、随机波面一致性等对影响合成效率的解析公式或数值计算曲线。开展了基于主动相位控制和半反半透合束镜的光束叠加相干合成实验研究，实验结果表明，闭环情况下的峰值功率达到理想峰值功率的95.92％。验证了光束叠加相干合成的技术可行性。
　　最后，对研究工作进行了总结，展望了高功率激光相干合成技术研究。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 相干合成主动相位控制技术

1．3 相干合成研究进展

1．3．1 光束拼接相干合成

1．3．2 光束叠加相干合成

1．4 论文研究内容与结构安排

第二章 激光相干合成理论

2．1 激光相干合成基本原理

2．1．1 光束的干涉原理

2．1．2 光束拼接相干合成原理

2．1．3 光束叠加相干合成原理

2．2 子束像差的描述

2．3 对合成效果的评价

2．3．1 光束质量因子β

2．3．2 光束质量因子BQ

2．3．3 斯特列尔比SR

2．3．4 M2因子

2．3．5 合成效率

2．4 本章小结

第三章 光束拼接相干合成子光束一致性研究

3．1 概述

3．2 光束拼接相干合成光路布局

3．3 子光束光强一致性

3．4 活塞相位一致性

3．5 光轴一致性

3．6 发散角一致性

3．7 子光束随机波面一致性

3．8 子光束一致性的剪切干涉检测方法研究

3．6．1 剪切干涉原理分析

3．4．2 干涉条纹与子光束调整的关系

3．4．3 活塞相位一致性的检测

3．9 光束拼接相干合成实验验证

3．7．1 实验装置

3．7．2 四路激光光束拼接相干合成实验结果

3．7．2 子光束光轴一致性实验验证

3．10 本章小结

第四章 光束叠加相干合成子光束一致性研究

4．1 概述

4．3 子光束光强一致性

4．5 活塞相位一致性

4．6 光轴一致性

4．7 发散角一致性

4．8 子光束随机波面一致性

4．9 光束叠加相干合成多级合成方案

4．10 光束叠加相干合束实验验证

4．11 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 主要研究工作总结

5．2 本论文创新点

5．3 展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表论文

攻读硕士学位期间参加学术活动情况