激光帶寬抑制光束自聚焦效應的理論和實驗研究.pdf

1、 自聚焦是非線性光學中最常見最基本的物理問題之一,從上世紀六十年代起,自聚焦就一直是非線性光學領域熱門的研究課題。
從實踐的角度來看,自聚焦效應限制了允許通過介質(zhì)的光功率,因為自聚焦通常會導致光學介質(zhì)的損傷。在高功率固體激光裝置中,自聚焦特別是小尺度自聚焦一直是設計高功率激光系統(tǒng)的限制因素。用于慣性約束核聚變( Inertial Confinement Fusion,簡稱 ICF)的激光驅(qū)動器,是高功率固體激光裝置最典型

2、的應用,而慣性約束聚變點火工程是《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃》的十六項重大專項之一。對用于ICF驅(qū)動的高功率固體激光系統(tǒng)而言,高能量、高效率和高光束質(zhì)量的輸出是實現(xiàn)靶丸快點火必需的要求和目標,而小尺度自聚焦引發(fā)的高功率激光多路成絲效應是限制固體玻璃激光器提高能量的主要因素。例如,美國勞侖斯·利弗莫爾國家實驗室(LLNL)就在其激光運行報告中指出,小尺度自聚焦一直是用于ICF的激光驅(qū)動器總體設計、工程研制和安全運行的重大科學問題。 <

3、br> 從上世紀七十年代起,大量的研究人員對由小尺度自聚焦所導致的光束分裂成絲產(chǎn)生了濃厚的興趣。因為,高能量、高效率和高光束質(zhì)量的輸出,是用于 ICF驅(qū)動器的高功率固體激光系統(tǒng)的要求和目標,而小尺度自聚焦是限制固體玻璃激光器提高能量的主要因素。
為突破自聚焦效應對高功率固體激光系統(tǒng)輸出能力的限制,尋找和提出有效的抑制方法,一直以來都是高功率激光技術領域的重要研究方向。從某種意義上說高功率固體激光系統(tǒng)的發(fā)展過程,主要是解決

4、自聚焦特別是小尺度自聚焦問題的過程。小尺度自聚焦的根源是激光束振幅和相位的不規(guī)則分布,所以提高光束質(zhì)量改善光束空間分布的均勻性一直是抑制小尺度自聚焦的主要方法和措施。包括空間濾波器、軟邊光闌、以及提高光學元件的制備精度等方法都是改善光束質(zhì)量抑制小尺度自聚焦的常用方法。近年來,人們又陸續(xù)提出了一些新的抑制小尺度自聚焦的方法,包括利用發(fā)散光束、部分相干光和寬帶激光等。
寬帶激光被認為是用于突破由小尺度自聚焦效應引起的高功率固體

5、激光系統(tǒng)的功率輸出瓶頸的可能的技術路線。與單縱模的窄帶激光相比,帶寬的引入為激光的傳輸和控制提供了額外的自由度,這意味著隨帶寬引入的色散效應打破原本以衍射效應和非線性效應競爭的傳輸狀態(tài),使得色散與衍射一起與以小尺度自聚焦為主導的非線性效應形成競爭。因而,帶寬的引入為抑制小尺度自聚焦提高光束近場均勻性提供了新的手段和可能性。因此,寬帶激光有利于防止光束近場分布的均勻性因嚴重的小尺度自聚焦效應而出現(xiàn)明顯的下降,從而能夠保證最終產(chǎn)生高能量、高

6、質(zhì)量和高均勻性的三倍頻聚焦光斑,提高靶面輻照的均勻性和靶丸的內(nèi)爆效應。
本論文基于高功率固體激光驅(qū)動系統(tǒng)中高負載能量和高光束質(zhì)量的需求,研究了小尺度自聚焦的形成機制和功率條件,探討了不同類型的寬帶激光在傳輸過程中的對小尺度自聚焦效應的作用規(guī)律,以及寬帶激光自身的各個參量對小尺度自聚焦效應的抑制條件和抑制規(guī)律,獲得的主要成果如下：
第一、研究了高斯光束發(fā)生小尺度自聚焦效應的功率條件。研究發(fā)現(xiàn),高斯光束發(fā)生小尺度

7、自聚焦效應所需的功率值與初始調(diào)制幅度有關,初始調(diào)制幅度越大,則高斯光束因小尺度自聚焦而分裂成絲所需的功率越??；反之,初始調(diào)制幅度越小則所需的功率越大。
第二、研究了由譜色散勻滑(Smoothing by Spectral Dispersion,簡稱SSD)裝置產(chǎn)生的具有相位調(diào)制和光譜色散特性的小寬帶脈沖激光(簡稱譜色散光束)的菲涅耳衍射,以及以衍射場為輸入的小尺度自聚焦現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn),譜色散光束可以用來改善光束的近場均勻性

8、。選擇合適的SSD裝置的元件參數(shù)可以提高光束質(zhì)量,從而實現(xiàn)對小尺度自聚焦的抑制作用。
第三、研究了在寬帶啁啾脈沖激光的小尺度自聚焦過程中,利用帶寬抑制光束小尺度自聚焦效應的條件。研究發(fā)現(xiàn),對于寬帶啁啾脈沖激光而言,帶寬可以在特定條件下用來抑制高功率激光系統(tǒng)中的小尺度自聚焦效應。當脈沖寬度一定時,帶寬越大對空間小尺度自聚焦的抑制作用越明顯,而當帶寬一定時,脈寬越大帶寬對小尺度自聚焦的抑制作用越有限；在不同脈寬條件下,對小尺度

9、自聚焦實現(xiàn)相同程度的抑制作用,光束必須具有相同的帶寬脈寬比,并且?guī)捗}寬比反映了帶寬對小尺度自聚焦效應的抑制程度,比值越大則抑制作用越明顯。
第四、實驗研究了寬帶啁啾脈沖激光的小尺度自聚焦效應,驗證了利用帶寬抑制小尺度自聚焦的相關特性。通過控制調(diào)制場的空間頻率,利用寬帶啁啾脈沖激光正弦調(diào)制的增長實驗,證明了與單色平面波條件下的B-T理論相比,寬帶啁啾脈沖激光的增益譜曲線,整體向高頻方向移動。另外,針對寬帶啁啾脈沖激光B積分