物像光柵自拼接在超短超強(qiáng)激光中的應(yīng)用問題研究.pdf

1、近期，基于啁啾脈沖放大技術(shù)的超短超強(qiáng)拍瓦級（1拍瓦=1015W）激光的發(fā)展受到了光柵有限口徑的限制，因此不得不采用光柵拼接技術(shù)。傳統(tǒng)光柵拼接的高拼接難度和低光學(xué)效果不利于拍瓦級激光裝置的研制。因此，我們提出了一種新型技術(shù)叫做物像光柵自拼接，該技術(shù)大大緩解了上述兩個(gè)問題。從目前來看物像光柵自拼接是解決拍瓦級激光壓縮器光柵尺寸不足的一個(gè)好辦法。由于物像光柵自拼接不存在前后位移拼接誤差，因此壓縮器輸出脈沖的脈寬抖動(dòng)問題得到了解決，特別適合于飛

2、秒拍瓦激光系統(tǒng)。針對需求，本文將開展物像光柵自拼接應(yīng)用在拍瓦級激光裝置的預(yù)研工作，全面圍繞潛在應(yīng)用問題、相應(yīng)解決方案、小型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、應(yīng)用方案設(shè)計(jì)，以及輔助技術(shù)開發(fā)進(jìn)行詳細(xì)研究。最終幫助解決拍瓦級激光裝置中壓縮器光柵尺寸不足問題，并助力實(shí)現(xiàn)前所未有的超短超強(qiáng)激光輸出。
　　本論文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)介紹如下:
　　1)理論和實(shí)驗(yàn)解決了物像光柵自拼接技術(shù)的拼接精度、拼接穩(wěn)定性和拼接基準(zhǔn)監(jiān)測問題，開發(fā)了閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了近理

3、想拼接狀態(tài)的自動(dòng)獲取和穩(wěn)定維持。
　　a)建立了拼接光柵衍射光的電場分布模型，對傳統(tǒng)光柵拼接和物像光柵自拼接的拼接精度問題進(jìn)行了理論分析。開展了傳統(tǒng)光柵拼接和物像光柵自拼接的穩(wěn)定性對比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示物像光柵自拼接具有更高的穩(wěn)定性，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行了理論解釋。開發(fā)了一套物像光柵自拼接閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，獲得了近理想拼接狀態(tài)的快速自動(dòng)獲取及長時(shí)間自動(dòng)穩(wěn)定維持;
　　b)針對物像光柵自拼接基準(zhǔn)光柵（物光柵）的穩(wěn)定維持問題

4、，提出了一種光柵三維角漂在線監(jiān)測方法。監(jiān)測對象包括全維度光柵角漂，監(jiān)測內(nèi)容包括大小和方向，監(jiān)測精度可以達(dá)到方位角±0.5μrad，俯仰角±0.5μrad和面內(nèi)角±1.67μrad。
　　2)解決了物像光柵自拼接壓縮器中的零級衍射光問題和相關(guān)的色散修復(fù)問題，理論模擬了光譜調(diào)制問題和脈沖疊加問題。
　　a)為了保證系統(tǒng)安全，沿光柵條紋方向傾斜壓縮器入射光以規(guī)避物像光柵自拼接中的零級衍射光進(jìn)入放大器。但規(guī)避方法會(huì)造成系統(tǒng)色散畸變，

5、針對釹玻璃皮秒拍瓦激光系統(tǒng)，提出了插入長度優(yōu)化光纖和修正壓縮器光柵對間距的三階色散補(bǔ)償方法。針對鈦寶石飛秒數(shù)拍瓦激光系統(tǒng)，得到了壓縮器傾斜入射有利于放大器材料色散補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)論;
　　b)模擬了鈦寶石寬帶激光系統(tǒng)中物像光柵自拼接壓縮器的光譜調(diào)制問題，以及釹玻璃大口徑激光系統(tǒng)中物像光柵自拼接壓縮器的脈沖疊加問題。模擬結(jié)果顯示光譜調(diào)制問題不會(huì)對壓縮脈沖產(chǎn)生明顯影響，脈沖疊加問題不會(huì)造成壓縮器光柵損壞。
　　3)完成了物像光柵自拼接技

6、術(shù)在啁啾脈沖放大系統(tǒng)中的首次實(shí)驗(yàn)演示，針對十拍瓦激光系統(tǒng)提出了物像光柵自拼按壓縮器的設(shè)計(jì)方案，并提出了一種壓縮器輸出激光殘余角啁啾的測量方法。
　　a)在小型光參量啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)中實(shí)驗(yàn)演示了物像光柵自拼接壓縮器的時(shí)空效果，在時(shí)間上獲得了1.5倍傅里葉轉(zhuǎn)換極限脈寬，在空間上獲得了1.9倍衍射極限焦斑。同時(shí)開展了與同等口徑無拼接光柵壓縮器的對比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示兩組實(shí)驗(yàn)的壓縮脈沖時(shí)空特性相一致;
　　b)提出了一種物像光柵自拼

7、按壓縮器在十拍瓦激光系統(tǒng)中的應(yīng)用方案設(shè)計(jì)，完全基于商品化光柵，解決了壓縮器光柵尺寸不足的問題。此外采用分步式壓縮器結(jié)構(gòu)，包括前級壓縮器和后級壓縮器，減小了壓縮器和真空系統(tǒng)的規(guī)模。色散修正器的引入提高了色散管理質(zhì)量，降低了色散管理難度，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出脈寬的方便調(diào)諧;
　　c)為了確保拼接光柵壓縮器的效果，提出了一種殘余角啁啾精密測量方法。通過對輸出脈沖進(jìn)行遠(yuǎn)場焦斑分析，可以獲得殘余角啁啾數(shù)據(jù)。對于100mm口徑鈦寶石激光理論測