高功率激光器前端系统模拟设计

摘要

本论文工作是在863-804项目《高功率激光器前端系统计算机模拟技术研究》的研究背景下进行的。该高功率激光器是我国未来用于惯性约束聚变(ICF)研究的关键激光驱动器系统，它采用主振荡器(即前端系统卜功率放大，即MOPA结构。前端系统是高功率激光驱动器的种子光源，它主要为后继系统提供数个已整形、具有一定能量(mJ量级)、一定带宽、高信噪比和高光束质量的激光脉冲。本文系统地研究了全光纤化前端系统中出现的脉冲整形、脉冲平滑和脉冲稳定性等主要物理问题，为前端系统的研制提供理论依据；建立了前端系统的计算机模拟仿真平台，用于验证前端系统单元技术和方案设计的可行性；同时，在此仿真平台上为前端系统优化设计提供了重要参数。本文的主要成果有： 1、建立了前端系统的理论模型，并基于此研制成功前端激光系统的模拟软件平台。该系统可对前端系统提供有效的仿真模拟。本软件是国内首套全光纤前端系统设计的仿真软件平台，已申请软件著作权登记两项。 2、前端系统对输入的激光脉冲的稳定性有较严格的要求，本文深入研究了锁模激光器输出脉冲稳定性问题。通过增益谱抽样傅里叶变换方法分析，表明锁模模式的随机振幅涨落不引起峰值强度和波形变化；随机相位涨落会引起脉冲的强度起伏，起伏比例与模式数目成反比。此结论表明可以将经过窄带滤波后的幅度稳定性作为锁模质量的重要评价手段。 设计了多模干涉型超短脉冲波导分束器，为全波导脉冲堆积研究奠定了基础。基于光束传播法(BPM)和时域有限差分法(FDTD)对该器件分析表明：对连续光其分束效率达到49.5％；对40fs以上的输入脉冲，分束效率可以达到47.5％，对脉冲的展宽可以忽略；对更短的脉冲输入，分束效率降低，脉冲将出现明显的拖尾。 3、前端系统要求激光脉冲有很强的整形能力，本文对脉冲整形技术进行了深入研究，建立了不同技术方案的理论模型并进行了分析；提出了几种新技术方案。 建立了时域调制整形的理论模型，对单纵模连续激光经过相位和幅度调制的物理过程进行仿真，找到了相位调制边带失衡引起平顶幅度调制的原因，指导了实验研制。 提出了脉冲堆积的评价方法，对不同类型脉冲堆积技术进行了分析。分析表明：相干脉冲堆积的波形由路间延时或相位差决定，可在一定范围内选择时延等参数实现平滑脉冲整形，相干脉冲堆积对路间相位误差和环境稳定有较高要求。对色散啁啾脉冲堆积的时域和频域特性进行了深入的模拟分析；分析表明啁啾脉冲堆积具有很好的扫频特性，为光谱色散束匀滑(SSD)技术实现带来极大便利。模拟分析表明所得堆积脉冲与目标脉冲的相关指数超过95％。 提出并分析了基于法拉第镜的普通单模光纤偏振稳定堆积器的技术方案，已确定为前端系统脉冲堆积器的最终方案，该堆积系统已研制成功。 提出并分析了利用多通道F-P或闪耀光栅进行频谱修改实现脉冲整形的技术方案。 4、深入研究了脉冲堆积顶部“毛刺”的窄带滤波和多模光纤色散平滑技术。滤波平滑的机理是降低噪声谱(毛刺)的幅度，能有效减小噪声幅度；由于噪声谱与信号谱有重叠，平滑会造成脉冲前后沿的展宽和波形变化；对比分析表明高斯型滤波器性能最佳。多模光纤色散平滑是利用各个模式的模间时延进行平滑的，有效平滑的同时会造成脉冲波形“后倾”，并将脉冲中原有的优势峰展宽。 5、参与了前端系统的几种技术方案的研制工作。实验表明，单纵模调制前端系统具有较强脉冲整形能力，本系统上升沿达到200ps左右；实验上观察到相位调制边带失衡引起平顶幅度调制的现象，并通过优化得到解决。研制了掺Yb光纤DFB激光器作为新一代振荡源，光谱信噪比超过70dB。 相干脉冲堆积实验获得了整形能力较强的脉冲，但由于邻近脉冲的干涉，整形脉冲稳定性较差。啁啾脉冲堆积系统采用啁啾光纤光栅进行色散展宽，并使用基于法拉第镜的反射型脉冲堆积器，获得了偏振稳定的堆积输出，波形稳定性达3％，具有很强的整形能力；堆积脉冲具有40ps左右上升沿，满足上升沿小于100ps的需求。 实验结果表明本文的理论分析结果正确，很好地指导了系统的研制工作。 本文创新点： 1、建立了前端系统的理论模型，研制成功全光纤前端系统的模拟软件平台，开发了前端系统相关的单元器件仿真模块，对指导前端系统的研制起到了重要作用。 2、通过增益谱抽样傅里叶变换方法研究了锁模激光器输出脉冲稳定性问题，提出将经过窄带滤波后的幅度稳定性作为锁模质量的重要评价手段。 3、设计并分析了超短脉冲多模干涉波导分束器，为全波导脉冲堆积研究奠定基础。4、对脉冲堆积技术进行分析，建立了脉冲堆积整形的评价体系；提出使用参数选择区间图对相干脉冲堆积进行研究。研究了色散啁啾脉冲堆积的时域和频域特性；分析表明啁啾脉冲堆积具有很好的扫频特性，可以极大方便SSD技术实现。提出并分析了基于法拉第镜的反射型偏振稳定脉冲堆积器，已确定为前端系统脉冲堆积器的最终方案，该堆积系统已研制成功。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

第二章高功率激光器前端系统概述

第三章前端模拟平台系统设计

第四章前端系统关键器件分析

第五章光脉冲整形技术

第六章光脉冲平滑技术

第七章前端系统实验研究

第八章总结与展望

攻读博士期间发表的论文和专利等

致谢