高功率固體激光系統(tǒng)中激光空間強度與波前控制技術研究.pdf

1、高功率激光在國防、天文研究和新能源探索領域發(fā)揮著重要作用。許多國家搭建了大型的固體激光裝置，如美國的國家點火裝置（NIF），羅徹斯特大學的OMEGA EP裝置，中國的神光-Ⅲ。大型激光裝置的建造與運行中遇到的諸如高通量下光學元件損傷問題等，迫切需要開展相關實驗研究。在此背景下，世界上一批中口徑高功率固體激光系統(tǒng)也建立起來了，它們的主要任務是完成相關物理實驗的驗證。中口徑固體激光系統(tǒng)，除了在規(guī)模上相對較小之外，基本結構與大型激光裝置相似，

2、并且工作效率相對較高，運行比較靈活。因此，搭建一臺高光束質量高性能的中口徑高功率固體激光系統(tǒng)，能夠開展高能量高功率激光應用方面的科學研究，為大型高功率激光驅動器的搭建提供科學實驗數(shù)據(jù)。
　　本文研究設計的高性能百焦耳級固體激光系統(tǒng)，正是支撐大型激光裝置的物理實驗驗證，完成紫外光學元件損傷實驗的中口徑激光系統(tǒng)。它采用主振蕩功率放大（MOPA）結構，由全光纖前端產生的1053nm種子源，經多級釹玻璃放大，達到100J級，光束口徑Φ60

3、mm，經兩塊磷酸二氫鉀（KDP）晶體實現(xiàn)三倍頻351nm激光輸出，能量達到50J。該系統(tǒng)激光輸出光束質量高，具備空間強度整形能力，波前整形能力，脈沖波形整形能力。該系統(tǒng)具有較高的能量穩(wěn)定性和光束指向穩(wěn)定性，運行發(fā)次間隔為30min，每一發(fā)都可監(jiān)測基頻和三倍頻的近場分布、能量和時間波形，常規(guī)運行在1ω/80J和3ω/40J，是一臺鋼鐵般的武器級“用戶裝置”。本文介紹了百焦耳激光系統(tǒng)的設計，并針對激光輸出光束質量的近場空間分布和波前分布兩個

4、方面進行了深入研究，利用可編程液晶空間光調制器和低成本小口徑變形鏡，有效的提高了光束質量，具體工作包括以下幾個方面。
　　設計了激光器的總體構型，采用四級全釹玻璃棒放雙程放大結構，設計基頻最終輸出1053nm/Φ60mm/100J/3ns。介紹了激光器的5個分系統(tǒng)：全光纖前端系統(tǒng)，激光放大、傳輸及能源系統(tǒng)，頻率轉換系統(tǒng)，光束控制與測量及同步系統(tǒng)和計算機集中控制系統(tǒng)。設計了主光路的雙面立墻的光路排布，并完成了整體的光學調試。介紹了激

5、光器的結構設計，完成了整個激光器的安裝，并初步測試了激光系統(tǒng)輸出參數(shù)。
　　針對如何提高激光輸出的近場光束質量，分析確定了使用可編程液晶空間光調制器。對于基頻光，考慮主放大鏈路的增益和傳輸?shù)目臻g不均性，利用線性放大模型，研究了基頻光的近場補償算法；對于三倍頻光，考慮晶體頻率轉換過程中的能量非線性效應和晶體各個位置傳輸?shù)目臻g不均性，利用非線性傳輸模型，研究了三倍頻光的近場補償算法。在百焦耳激光系統(tǒng)中，實驗研究了基頻光和三倍頻光的近場

6、光束質量改善。結果表明，基于液晶空間光調制器能夠實現(xiàn)近場空間強度整形，通過優(yōu)化算法，得到了高近場光束質量的激光輸出，基頻光近場調制度達到1.26:1，三倍頻光近場調制制度達到1.42:1。
　　針對如何優(yōu)化激光輸出的波前分布，分析了基頻光波前測量方法，確定了使用變形鏡改善激光系統(tǒng)波前分布。研究了利用低成本小口徑變形鏡放在激光系統(tǒng)前級進行波前整形方法，并通過了實驗驗證，在百焦耳固體激光系統(tǒng)上得到了波前近平頂分布激光輸出。結果表明，利

7、用前級小口徑變形鏡能夠補償復雜高功率固體激光系統(tǒng)內部引起的波前畸變，改善的末級輸出波前，達到近平頂分布的波前輸出，最后得到基頻光輸出波前P V值為0.29λ，RMS值為0.06λ。
　　研究了高功率激光系統(tǒng)中空間強度整形與波前整形的相互影響關系。在百焦耳激光系統(tǒng)中，利用空間光調制器和前級小口徑變形鏡完成了激光空間強度與波前的聯(lián)合整形，實現(xiàn)了空間強度和波前分布同時均勻的激光輸出，結果表明，基頻光輸出近場調制度優(yōu)于1.4:1，同時波前