高功率釹玻璃激光系統(tǒng)的寬帶三倍頻技術(shù)方案研究.pdf

1、寬帶激光既有助于提高大口徑(～300 mm)、高能量(～kJ)的釹玻璃激光驅(qū)動(dòng)器自身的綜合性能，如避免大口徑元件的破壞、改善光束質(zhì)量、提高放大器的儲(chǔ)能的提取效率等；也有助于提高物理實(shí)驗(yàn)的綜合效果，激光的寬頻帶有利于提高靶丸目標(biāo)對(duì)激光的有效吸收，獲得更高的靶丸壓縮比；有助于抑制激光-等離子作用中有害的超熱電子的產(chǎn)生等，從而提升高能量密度物理實(shí)驗(yàn)的成功率。用于慣性約束聚變的高功率激光驅(qū)動(dòng)器今后的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)是采用寬帶激光脈沖進(jìn)行傳輸和放

2、大。
　　釹玻璃激光的三倍頻成分是用于慣性約束核聚變的理想波段，受非線性KDP晶體色散特性的影響，高效釹玻璃激光脈沖的三倍頻僅限于于單縱模的窄帶情況，高效率的三倍頻轉(zhuǎn)換成為寬帶激光驅(qū)動(dòng)器技術(shù)發(fā)展中少數(shù)幾個(gè)核心難題之一。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外從事釹玻璃激光驅(qū)動(dòng)器的專(zhuān)業(yè)單位先后嘗試了許多實(shí)現(xiàn)寬帶三倍頻的思想和技術(shù)，但都存在技術(shù)復(fù)雜或支持帶寬不夠等不足。因此，寬帶激光的高效率諧波轉(zhuǎn)換是一項(xiàng)具有重要實(shí)際意義的研究課題，需要有突破常規(guī)的思路及技術(shù)

3、去解決這一難題。
　　本文提出了一種新穎的寬帶激光三倍頻技術(shù)方案，指出可以利用傳統(tǒng)的窄線寬釹玻璃激光來(lái)推動(dòng)寬帶釹玻璃激光脈沖的高效三倍頻產(chǎn)生，稱(chēng)為組合激光工作模式(寬帶激光+窄帶激光)的寬帶三倍頻方案；該方案無(wú)需應(yīng)用大口徑光柵等色散元件，并可以與目前使用成熟的雙和頻晶體方案結(jié)合，可以支持目前釹玻璃激光裝置能達(dá)到的最大帶寬～5 nm的高效三倍頻(理論上效率～80％)，有望突破寬帶型釹玻璃激光驅(qū)動(dòng)器發(fā)展的技術(shù)瓶頸。另外，本文提出的組合

4、激光工作模式也為超短脈沖激光的高效諧波轉(zhuǎn)換提供了新的思路。
　　論文的主要內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　一、提出了利用窄線寬的釹玻璃激光脈沖與寬帶釹玻璃激光脈沖組合進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換，高效得到紫外波段的寬帶激光脈沖的三倍頻技術(shù)方案。研究發(fā)現(xiàn)，利用窄線寬的激光脈沖，可以減緩寬帶激光諧波轉(zhuǎn)換過(guò)程中群速度失配對(duì)效率的限制，從而提高寬帶激光的三倍頻轉(zhuǎn)換效率。在小信號(hào)情況下分別通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)和數(shù)值模擬研究了其相位匹配帶寬的性質(zhì)，證實(shí)了與窄線寬激光有

5、關(guān)的群速度失配不影響轉(zhuǎn)換過(guò)程的相位匹配帶寬。
　　二、對(duì)于中等寬帶的釹玻璃激光脈沖(～1.2 nm，通過(guò)對(duì)脈沖進(jìn)行時(shí)間相位調(diào)制獲得)的三倍頻，雙和頻晶體級(jí)聯(lián)的方案雖然在效率上基本可以達(dá)到實(shí)用的標(biāo)準(zhǔn)，但并沒(méi)有從根本上消除群速度失配的影響；導(dǎo)致輸入時(shí)間相位調(diào)制的基頻光，其產(chǎn)生的三倍頻脈沖頂部會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)振蕩。利用釹玻璃激光在KD*P晶體Ⅱ類(lèi)和頻過(guò)程中兩個(gè)群速度失配值差別較大的特性，在和頻過(guò)程中引入窄線寬的釹玻璃激光脈沖，可以大大減緩群速

6、度失配值的限制，從而可以很好地抑制基頻光的相位調(diào)制向三倍頻脈沖強(qiáng)度調(diào)制的轉(zhuǎn)移，改善了輸出脈沖形狀的均勻性及對(duì)稱(chēng)性。
　　三、針對(duì)目前高能釹玻璃激光裝置能達(dá)到的最大帶寬～5 nm，采用窄線寬激光脈沖來(lái)推動(dòng)其納秒級(jí)(109 s)啁啾脈沖的三倍頻轉(zhuǎn)換，結(jié)合目前使用成熟的雙和頻晶體級(jí)聯(lián)技術(shù)，理論上轉(zhuǎn)換三倍頻效率可達(dá)80％。對(duì)生成的寬帶紫外啁啾脈沖進(jìn)行壓縮，可得到功率為拍瓦(1015 W)量級(jí)的亞皮秒(1012 s)超強(qiáng)紫外脈沖，為強(qiáng)場(chǎng)物理