千焦耳高能拍瓦激光装置脉冲压缩特性分析

论文摘要

激光惯性约束聚变对于科学研究、工业应用和洁净能源具有深远的影响,而基于超强超短激光的快点火物理模型由于相对中心点火模型可能显著降低驱动激光的能量,从而缩小装置规模,减少工程投入,所以从上世纪末开始成为了国际上研究的热点。快点火前期物理实验要求:点火激光驱动装置输出1ps～10ps、＞1kJ、＞1PW,时间信噪比高于108,峰值聚焦功率密度1020W/cm2～1021W/cm2的高能超短激光。啁啾脉冲放大（CPA）技术通过引入展宽和压缩步骤,多级放大啁啾脉冲从而有效避免了非线性效应,提高了能量提取效率,为产生千焦耳高能拍瓦激光提供了有效的技术途径。光栅压缩器是千焦耳高能拍瓦激光装置中完成脉冲压缩的核心元件。点火脉冲的短脉冲宽度、大脉冲能量、高时间信噪比和强峰值聚焦功率密度对压缩器光栅的损伤阈值、物理尺寸和调整精度提出了苛刻的要求。当前光栅的低损伤阈值致使建造千焦耳高能拍瓦激光装置需要制备米量级介质膜光栅,而国内外制备大尺寸光栅的技术水平和生产能力很难彻底满足该类装置的需求。通过多块子光栅拼接获取大尺寸光栅的光栅拼接技术在一定程度上为快点火激光聚变驱动装置的压缩器设计提供了技术储备。但拼接光栅的精度检测、反馈控制和稳定性保持均面临巨大的技术难度,至今尚未得到实际应用。另一方面,相对于传统啁瞅脉冲放大激光系统,千焦耳高能拍瓦激光装置的大口径光束、大尺寸光栅、窄脉冲宽度、高时间信噪比和强峰值聚焦功率密度对压缩器光栅的调整精度和稳定性也提出了更为严格的要求。鉴于当前现状,本论文分析了千焦耳高能拍瓦激光装置中影响输出脉冲时空特性的大口径光束光谱剪切效应;优化了有限尺寸光栅压缩器的设计;分析了大口径光束下压缩器光栅调整精度和稳定性对输出脉冲时空特性的影响。具体内容包括:1.推导了啁啾脉冲经过色散介质的各阶色散,利用傅立叶变换法分析了色散介质对啁啾脉冲的展宽和压缩作用。借助光线追迹推导了任意波长经历强色散介质——平行光栅对的光程,得到了一阶、二阶和三阶色散。分析了平行光栅对压缩器对正啁啾脉冲的压缩,为千焦耳高能拍瓦激光装置压缩器设计提供了理论依据。2.针对千焦耳高能拍瓦激光装置,建立了大口径光束经过有限尺寸光栅压缩器的光谱剪切模型。理论分析和数值模拟了啁啾脉冲放大激光系统展宽器、放大器和压缩器光谱剪切效应对激光脉冲时空特性的影响。给出了千焦耳高能拍瓦激光装置展宽器和压缩器保证点火脉冲时空特性的最小通过带宽,降低了光栅尺寸需求。3.分析了短脉冲输出时压缩器各项参数对输出脉冲能量的影响。得到了千焦耳高能拍瓦激光装置光栅压缩器设计的三项基本参数。提出了有限尺寸光栅压缩器的优化方法,避免了采用拼接光栅的同时,达到了输出能量最大化的目的。4.提出了有限尺寸光栅压缩器对大口径光束进行脉冲压缩时光栅对偏差对压缩脉冲时空特性的影响。讨论了输出光束角度失准、脉冲宽度和脉冲倾斜随光栅方位偏差、俯仰偏差和条纹偏差的变化关系。从快点火需求出发,为千焦耳高能拍瓦激光装置压缩器光栅调整精度和稳定性分析提供了理论依据。5.针对千焦耳高能拍瓦激光装置聚焦焦斑处时间信噪比＞108的要求,数值模拟了展宽器和压缩器的最小通过带宽;光栅口径500mm压缩器的最大输出能量;峰值聚焦功率密度1020W/cm2时米量级压缩器光栅的调整精度和稳定性。本论文工作属于千焦耳高能拍瓦激光装置研究内容,提出了脉冲压缩系统的初步设计方案,并对其它高功率超短脉冲激光系统的设计建造具有重要的参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 引言
• 1.1.高能拍瓦激光的应用与发展
• 1.2.高功率超短脉冲激光单元技术的革新
• 1.2.1 啁啾脉冲放大
• 1.2.2 平行光栅对压缩器
• 1.3.衍射光栅
• 1.3.1 镀金全息光栅
• 1.3.2 多层介质膜光栅
• 1.3.3 拼接光栅
• 1.4.本论文的研究意义和内容
• 第二章 脉冲压缩理论分析
• 引言
• 2.1.色散介质中的脉冲压缩
• 2.2.平行光栅对压缩器中的脉冲压缩
• 2.3.结论
• 第三章 大口径啁啾脉冲放大激光系统中的光谱剪切分析
• 引言
• 3.1.光谱剪切理论模型
• 3.2.光谱剪切对输出脉冲的时空影响
• 3.3.结论
• 第四章 有限尺寸光栅压缩器设计分析
• 引言
• 4.1.压缩器优化理论模型
• 4.2.数值模拟
• 4.3.椭圆光束方案
• 4.3.1 光栅有效面积
• 4.3.2 聚焦焦斑位置
• 4.3.3 聚焦焦斑尺寸
• 4.4.结论
• 第五章 大口径光束压缩器光栅调整精度和稳定性分析
• 引言
• 5.1.方位偏差
• 5.1.1 光束角度失准
• 5.1.2 脉冲宽度
• 5.1.3 脉冲倾斜
• 5.2.俯仰偏差
• 5.2.1 光束角度失准
• 5.2.2 脉冲宽度
• 5.2.3 脉冲倾斜
• 5.3.条纹线偏差
• 5.3.1 光束角度失准
• 5.3.2 脉冲宽度
• 5.3.3 脉冲倾斜
• 5.4.稳定性分析
• 5.5.结论
• 第六章 总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录