高功率激光器前端系統(tǒng)啁啾脈沖堆積技術(shù)的研究.pdf

1、本論文的研究工作是在863—804重大專項《前端系統(tǒng)總體技術(shù)研究》的子課題《前端系統(tǒng)計算機模擬設(shè)計技術(shù)研究》和國家自然科學(xué)基金《高功率啁啾脈沖在單模光纖中的非線性傳輸特性研究》等項目的資助下完成的。 基于啁啾脈沖堆積技術(shù)的新型高功率激光器前端系統(tǒng)是我國為研究慣性約束核聚變而開發(fā)的新一代高功率激光器系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是向后繼系統(tǒng)提供數(shù)個已整形、具有一定能量(mJ量級)、一定帶寬、高信噪比和高光束質(zhì)量的激光脈沖。本文系統(tǒng)

2、地研究了啁啾脈沖堆積技術(shù)中可能存在的物理和工程問題，如啁啾脈沖堆積的時間起伏、光譜特性和穩(wěn)定性等，為前端系統(tǒng)的研制提供理論依據(jù)；完善了前端系統(tǒng)的計算機模擬軟件平臺，實現(xiàn)了與后端系統(tǒng)模擬軟件平臺的對接；此外，從理論上提出了一種新型方波發(fā)生器的實現(xiàn)方案，本方案對啁啾脈沖堆積技術(shù)具有重要的參考價值。 本論文主要的研究工作和成果如下： 1.通過譜分析方法對線性啁啾高斯脈沖堆積技術(shù)中存在的強度起伏問題進行了詳細的研究。線性啁啾高斯

3、脈沖堆積技術(shù)中堆積脈沖不可避免存在有強度起伏。我們對于線性啁啾高斯脈沖堆積技術(shù)中堆積脈沖的強度起伏頻率進行了分析。對于多個等幅度線性啁啾高斯脈沖等延遲疊加的情況，堆積脈沖的強度起伏頻率呈以一個基頻和多個高階頻率組成的多個邊帶的結(jié)構(gòu)。由于幅度的交疊部分過少，堆積脈沖的強度譜中極高階頻率處的起伏很小。堆積脈沖的時間起伏頻率隨原脈沖啁啾系數(shù)和時間延遲的增加而增大，隨原脈沖的脈寬的增加而減小。 2.系統(tǒng)分析了線性啁啾高斯脈沖堆積過程中堆

4、積脈沖的光譜特性，指出堆積脈沖的光譜中存在有調(diào)制結(jié)構(gòu)，并詳細討論了調(diào)制結(jié)構(gòu)的頻率特性。堆積脈沖光譜調(diào)制頻率的分析結(jié)論在實驗中得到了驗證。根據(jù)我們的光譜分析，堆積脈沖的時間起伏無法通過幅度濾波器進行濾除。 3.分析了線性啁啾高斯脈沖堆積中堆積脈沖的高頻起伏對激光與等離子體相互作用的影響，并首次對線性啁啾高斯脈沖堆積和無啁啾高斯脈沖堆積的受環(huán)境擾動的穩(wěn)定性從單路時延擾動和整體時延擾動兩方面進行了深入的討論，指出當(dāng)堆積子脈沖的時間延遲

5、有擾動時，啁啾脈沖堆積經(jīng)過接收器接收后相對無啁啾脈沖堆積更加穩(wěn)定。 4.方波脈沖發(fā)生器是解決啁啾脈沖堆積中相干噪聲問題的有效手段。提出了一種基于非線性光纖放大環(huán)形鏡的8字腔方波發(fā)生器，并對輸出脈沖的功率和脈寬進行詳細分析。8字腔方波發(fā)生器的輸出脈沖的功率和脈寬具有一定的調(diào)諧特性，給出了該發(fā)生器中各器件的具體設(shè)計參數(shù)。方波脈沖發(fā)生器的研制對于解決啁啾脈沖堆積的不穩(wěn)定性具有重要的意義。 5.針對前端系統(tǒng)以及啁啾脈沖堆積過程中

6、的物理和工程問題研究，我們編寫了高功率激光器前端系統(tǒng)模擬軟件，該模擬軟件直觀地給出給個位置的實時信噪比、波形、光譜等信息，不僅為前端系統(tǒng)各個部件的設(shè)計提供理論指導(dǎo)，而且對前端系統(tǒng)運行中的各部件給出安全工作預(yù)警，保證高功率激光器前端系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。此外，本軟件可以實現(xiàn)與后端系統(tǒng)模擬平臺的對接，對于研究慣性約束核聚變具有重要的意義。 本論文的創(chuàng)新點主要包括： 1.對啁啾脈沖堆積技術(shù)中堆積脈沖的時間起伏和光譜特性進行深入的理論

7、分析，并在譜分析的基礎(chǔ)上，分析了堆積脈沖經(jīng)過幅度濾波后的起伏變化，對指導(dǎo)前端系統(tǒng)的研制起到重要作用。 2.詳細分析了激光等離子體相互作用過程中啁啾脈沖堆積技術(shù)的穩(wěn)定性，通過分析指出啁啾脈沖堆積相對無啁啾脈沖堆積穩(wěn)定。對開展基于啁啾脈沖堆積技術(shù)的前端系統(tǒng)的實驗提供理論依據(jù)。 3.理論上提出一種基于非線性光纖放大環(huán)形鏡的新型8字腔方波發(fā)生器，對于啁啾脈沖堆積方案的實現(xiàn)具有重要的參考價值。 4.開發(fā)出新型高功率激光器前