基于啁啾反转和拼接光栅的激光脉冲高效压缩技术研究

摘要

高能、高功率激光技术的发展使人们能够在实验室内创造出前所未有的极端物态条件，为诸多领域（如天体物理、材料科学、激光核聚变、高能量密度物理等）的研究工作提供了无与伦比的手段;另一方面，众多前沿科学领域的持续发展也不断地对激光的输出能量和峰值功率提出新需求，对其品质的要求也越来越高。当前高能、高功率激光技术面临的几大主要任务有:极高的输出能量及功率、极高的聚焦功率密度、极高的信噪比。
　　目前在短脉冲激光技术领域实现高能量、高功率输出的主要手段是采用啁啾脉冲放大(CPA)技术，其基本工作模式是:“正色散展宽——能量放大——负色散压缩”。提供正色散的展宽器往往需要使用大口径透镜或大口径凹面镜，这些元件不仅加工困难、成本高，色差及像差的控制及装调精度要求都很高，在元件面形及调整精度满足不了要求时往往会使输出光束质量变差，影响最终的聚焦功率密度，而且，这些元件的有限通光口径往往还会成为限制系统带通的主要因素。
　　另外，在目前的高能短脉冲激光装置中，限制装置输出能力的瓶颈是压缩光栅的损伤阈值，采用拼接的办法扩大光栅口径是提高系统输出能力的重要途径。但是，要保证拼接好的光栅能够等效地替代单块大光栅，拼接精度要求很高，环境振动对焦斑形态的影响往往很严重，拼接误差的实时监测及稳定性控制一直以来就是这一技术领域的难题，目前发展起来的一些监测及控制方法通常比较复杂、不利于实施，发展简捷的拼接误差控制方法既具有战略意义也具有实用价值。
　　如何应对前述的挑战、找到一些可行的方法和措施解决其中的难点问题，正是本论文研究的主要任务。
　　论文的主要内容及创新点如下:
　　(1)提出了一种展宽压缩仅用/共用光栅对的“CRAC”工作模式，并对其进行了原理性的实验验证。实验表明利用该工作模式简化展宽器结构、甚至“免去”单独的展宽器在原理上是可行的。
　　(2)通过仿真计算，比较分析了传统工作模式与“CRAC”工作模式下系统输出能力及输出脉冲特性的异同。分析表明，与传统的工作模式相比，在共用光栅对的“CRAC”工作模式下，由于展宽压缩过程中的谱透过率能实现高度匹配，在一定程度上可以提高放大能量的利用效率，另外，由于该工作模式下可以增加全系统的截止带通，为信噪比的提高提供了必要条件。
　　(3)分析了一般的CPA系统中采用拼接光栅压缩器时拼接误差对压缩后脉冲时空特性的影响，提出了“拼接误差等位相制约关系”，并将其应用于双光栅双程全拼接光栅压缩器的误差实时监控。
　　(4)提出了基于“CRAC”工作模式、“啁啾反转结合近场反转降低拼接误差影响、提高聚焦稳定性”的新方案。理论分析表明，针对影响最大、最不易监测和控制的光栅拼接平移错位误差（Piston误差），该方案的实施使这种误差的影响能自动消除/降低，不需要对其进行特殊的控制便能显著提高聚焦稳定性、提高最终可获得的聚焦功率密度。
　　论文分析了影响高能超强短脉冲激光输出能力及输出性能的一些因素，提出了针对短脉冲激光系统的一种新的工作模式，取得了一些理论及实验上的探索性成果，更重要的是，论文为当前高峰值功率激光技术中存在的一些难点问题提供了新的解决思路，也为将来高能、超强短脉冲激光技术的发展提供了可供选择的方案和措施。

目录

声明

摘要

主要符号对照表

第一章 绪论

1．1 短脉冲激光的发展及应用简介

1．2 典型的短脉冲激光装置介绍

1．3 论文的研究内容及章节安排

第二章 影响短脉冲激光输出能力及输出脉冲性能的因素分析

2．1 输出能量分析

2．2 输出脉宽分析

2．3 聚焦性能分析

2．4 输出脉冲信噪比分析

2．5 本章小结

第三章 “CRAC”工作模式的提出及验证

3．1 利用啁啾反转效应的“CRAC”工作模式

3．1．1 负展宽及“免展宽器”的短脉冲激光系统

3．1．2 啁啾反转的实现

3．2 两种工作模式下激光脉冲传输放大及输出特性的比较

3．2．1 宽带脉冲激光放大的基本物理模型

3．2．2 多程放大系统介绍

3．2．3 两种工作模式下脉冲特性的比较

3．3 “CRAC”工作模式下“免展宽器”CPA系统的实验验证

3．3．1 实验光路排布及实验条件

3．3．2 实验结果

3．4 本章小结

第四章 提升系统输出能力的拼接光栅压缩器技术

4．1 拼接光栅脉冲压缩器简介

4．2 拼接误差对输出激光脉冲的影响

4．2．1 拼接误差影响概述

4．2．2 双程压缩下的误差容限分析

4．2．3 目前已有的监测控制方式

4．3 拼接误差的实时监测与控制

4．3．1 拼接误差实时监测中的问题

4．3．2 “拼接误差等位相制约关系”的提出

4．3．3 “拼接误差等位相制约关系”的应用

4．4 “CRAC”工作模式下提高拼接光栅压缩器稳定性的新方案

4．4．1 啁啾反转结合近场反转的方案

4．4．2 稳定性分析

4．5 拼接缝隙的影响

4．5．1 拼接缝隙对近场的影响

4．5．2 拼接缝隙对远场的影响

4．5．3 拼接缝隙对测量的影响

4．6 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 全文主要内容及创新点

5．2 不足与展望

致谢

参考文献

一、攻读博士学位期间发表的学术论文

二、攻读博士学位期间获授权的发明专利

三、攻读博士学位期间负责及参加的科研课题／项目

四、攻读博士学位期间获得的奖励

五、攻读博士学位期间参加的学术交流