高功率激光器前端系统模拟设计

论文摘要

本论文工作是在863-804项目《高功率激光器前端系统计算机模拟技术研究》的研究背景下进行的。该高功率激光器是我国未来用于惯性约束聚变（ICF）研究的关键激光驱动器系统，它采用主振荡器（即前端系统）+功率放大，即MOPA结构。前端系统是高功率激光驱动器的种子光源，它主要为后继系统提供数个已整形、具有一定能量（mJ量级）、一定带宽、高信噪比和高光束质量的激光脉冲。本文系统地研究了全光纤化前端系统中出现的脉冲整形、脉冲平滑和脉冲稳定性等主要物理问题，为前端系统的研制提供理论依据；建立了前端系统的计算机模拟仿真平台，用于验证前端系统单元技术和方案设计的可行性；同时，在此仿真平台上为前端系统优化设计提供了重要参数。 本文的主要成果有： 1、建立了前端系统的理论模型，并基于此研制成功前端激光系统的模拟软件平台。该系统可对前端系统提供有效的仿真模拟。本软件是国内首套全光纤前端系统设计的仿真软件平台，已申请软件著作权登记两项。 2、前端系统对输入的激光脉冲的稳定性有较严格的要求，本文深入研究了锁模激光器输出脉冲稳定性问题。通过增益谱抽样傅里叶变换方法分析，表明锁模模式的随机振幅涨落不引起峰值强度和波形变化：随机相位涨落会引起脉冲的强度起伏，起伏比例与模式数目成反比。此结论表明可以将经过窄带滤波后的幅度稳定性作为锁模质量的重要评价手段。 设计了多模干涉型超短脉冲波导分束器，为全波导脉冲堆积研究奠定了基础。基于光束传播法（BPM）和时域有限差分法（FDTD）对该器件分析表明：对连续光其分束效率达到49.5％：对40fs以上的输入脉冲，分束效率可以达到47.5％，对脉冲的展宽可以忽略；对更短的脉冲输入，分束效率降低，脉冲将出现明显的拖尾。 3、前端系统要求激光脉冲有很强的整形能力，本文对脉冲整形技术进行了深入研究，建立了不同技术方案的理论模型并进行了分析；提出了几种新技术方案。 建立了时域调制整形的理论模型，对单纵模连续激光经过相位和幅度调制的物理过程进行仿真，找到了相位调制边带失衡引起平顶幅度调制的原因，指导了实验研制。 提出了脉冲堆积的评价方法，对不同类型脉冲堆积技术进行了分析。分析表明：相干脉冲堆积的波形由路间延时或相位差决定，可在一定范围内选择时延等参数实现平滑脉冲整形，相干脉冲堆积对路间相位误差和环境稳定有较高要求。对色散啁啾脉冲堆积的时域和频域特性进行了深入的模拟分析；分析表明啁啾脉冲堆积具有很好的扫频特性，为光谱色散束匀滑（SSD）技术实现带来极大便利。模拟分析表明所得堆积脉

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 惯性约束核聚变—ICF技术简述
• 1.1.1 核聚变原理
• 1.1.2 受控核聚交
• 1.1.3 惯性约束核聚变-ICF
• 1.2 国内外高功率激光技术发展概况
• 1.2.1 国外概况
• 1.2.2 国内概况
• 1.3 高功率激光器前端系统及其发展
• 1.3.1 国外概况
• 1.3.2 国内概况
• 1.4 光学仿真与前端模拟设计
• 参考文献
• 第二章 高功率激光器前端系统概述
• 2.1 高功率激光系统简介
• 2.1.1 ICF驱动器技术与高功率激光器技术需求
• 2.1.2 新一代高功率激光器
• 2.2 前端系统技术需求
• 2.3 电调制型前端系统
• 2.3.1 系统原理
• 2.3.2 系统结构与进展
• 2.4 脉冲堆积型前端系统
• 2.4.1 系统原理
• 2.4.2 系统关键单元技术
• 2.5 小结
• 参考文献
• 第三章 前端模拟平台系统设计
• 3.1 系统设计目标
• 3.2 系统设计的理论基础
• 3.2.1 系统仿真技术基础
• 3.2.2 光信号及其处理
• 3.3 系统架构与功能
• 3.4 平台建设与器件设计方法
• 3.4.1 系统平台建设
• 3.4.2 单元器件设计方法
• 3.5 关键单元器件
• 3.6 小结
• 参考文献
• 第四章 前端系统关键器件分析
• 4.1 锁模光纤激光器
• 4.1.1 锁模光纤激光器简介
• 4.1.2 理想锁模激光器脉冲
• 4.1.3 位相涨落对锁模激光脉冲特性的影响
• 4.1.4 振幅涨落对锁模激光脉冲特性的影响
• 4.1.5 窄带滤波后锁模脉冲序列的特性
• 4.2 多模干涉波导光脉冲分束器
• 4.2.1 多模干涉器件基础
• 4.2.2 MMI分束器设计及其连续光工作特性
• 4.2.3 MMI分束器的脉冲光工作特性
• 4.3 小结
• 参考文献
• 第五章 光脉冲整形技术
• 5.1 光脉冲整形技术概述
• 5.2 时域调制整形技术
• 5.2.1 时域调制整形技术方案过程模拟
• 5.2.2 相位调制边带失衡问题
• 5.3 时域脉冲堆积整形
• 5.3.1 脉冲堆积整形的基本原理
• 5.3.2 非相干脉冲堆积整形
• 5.3.3 相干脉冲堆积整形
• 5.3.4 啁啾脉冲堆积
• 5.3.5 脉冲堆积的整形能力
• 5.3.6 脉冲堆积的偏振控制
• 5.4 频谱调制整形技术
• 5.5 小结
• 参考文献
• 第六章 光脉冲平滑技术
• 6.1 光谱滤波平滑
• 6.1.1 光谱滤波平滑原理
• 6.1.2 光脉冲滤波平滑实例
• 6.2 多模光纤平滑技术
• 6.3 小结
• 第七章 前端系统实验研究
• 7.1 单纵模调制型前端系统
• 7.2 相干脉冲堆积型前端系统
• 7.3 啁啾脉冲堆积型前端系统
• 7.4 小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 本文工作总结
• 8.2 前端技术展望
• 攻读博士期间发表的论文和专利等
• 致谢