宽带高功率激光系统总体与关键技术研究

论文摘要

高能量密度科学（HEDS）是当今前沿科学领域极具前瞻性、基础性的研究方向，主要包括激光驱动惯性约束聚变、极端条件下的凝聚态物理、高亮度X射线和高能粒子束的产生以及实验室天体物理等前沿基础研究。而高功率超强激光系统则是最重要的研究工具，其自身也是一项综合性的重大科学工程。由于HEDS需求的多样性和不确定性，要求高功率激光驱动源具备多参数、大跨度的调节能力，多功能兼容以及灵活的适应能力。如何应对这一严峻的挑战，正是本论文研究的主要任务。本论文在吸取前人研究成果基础上，首次提出并论证了以“全系统宽频带激光技术”为核心的总体技术路线，该技术方案有望集高能量、多脉宽、多波长等功能于一体，实现系统灵活地切换或组合配置，最大限度地满足物理应用的多种需求。在理论上和实验上研究了相关的创新性关键技术，包括1微米波段宽带飞秒光源的产生和宽带啁啾脉冲的高能量放大等，取得具有先进水平的实质性进展。在OL、CPL、SPIE等刊物发表（含已接受）论文八篇。本论文主要内容和创新点如下：1．首次提出基于“全系统宽频带技术”为核心的总体技术路线，构建新型高功率激光系统，兼容高能量、多脉宽（fs、ps、ns）和多波长等功能，有效地满足高能量密度科学的发展需求根据高能量密度科学（HEDS）对高功率激光驱动器的需求，分析了现有三类高强度固体激光系统的技术现状、存在的不足和亟待改进的问题，预测未来驱动器可能走向“相互融合、三超聚一”的发展趋势，提出了基于宽带激光产生、传输、放大、倍频和光束控制为核心的总体技术路线，在同一装置上实现“零同步”输出高能量的飞秒级、皮秒级和纳秒级三类激光脉冲。这一新型多功能高功率激光系统简称为“Hi-FPN激光系统”。其中，F系指输出激光脉冲宽度为百飞秒（啁啾脉冲完全压缩）、P指皮秒（啁啾脉冲部分压缩）、N指纳秒（啁啾脉冲不压缩），Hi指所有三档脉冲均有千焦耳级高能量且波长可高效率倍频转换。详细研究了Hi-FPN激光系统中脉冲能量转换、宽带光束控制等科学基础问题，确定了系统的总体构成，分析了主要关键技术，提出了创新性的技术方案和思路。研究结果表明，尽管还有若干具体技术难题有待解决，但Hi-FPN概念的提出和具体化，为未来高功率激光驱动器在总体技术路线方面的创新发展奠定了可行的科学技术基础。2．创新性地提出产生1微米波段宽带超短脉冲激光的“超连续谱注入+飞秒参量放大”技术方案，完成理论与实验研究，取得国际上同类研究的最好结果，为Hi-FPN激光系统提供了高性能的种子光源。相关论文在OL、CPL等刊物上发表，得到评阅人的好评。Hi-FPN激光系统要获得高能量激光输出，现阶段还必需借助于磷酸盐钕玻璃作为激光放大系统的增益介质。为此，系统前级“种子”光源必需具有匹配的波长，即1.053μm。而产生1微米波段的宽带超短光源就成为实现Hi-FPN激光系统最为重要的关键技术之一。尽管已有多种可能的方案，但还不能完全满足应用要求。论文提出的新型技术方案中，利用商品级成熟的高功率钛宝石飞秒激光（800nm）作为光参量放大（OPA）的泵浦源，同时由其诱导产生的时间上零抖动的超连续谱为OPA的注入源，经过高增益飞秒参量放大，可获得高能量、高质量、大带宽的1.053μm飞秒激光。对这一方案进行了深入的理论研究、技术攻关和判断实验，证实了这一创新方案的可行性。初步实验结果获得了大于4mJ脉冲能量、短于100飞秒脉宽和高光束质量的信号光，这是目前国际上1微米波段飞秒光参量放大的最大输出能量和最好指标。进一步优化实验条件，还可以达到更好更高的性能。为发展Hi-FPN激光系统打下了坚实的技术基础。3．总结前人研究成果，归纳提炼出完整的放大动力学理论框架，确立适用于不同带宽层次的放大方程组。针对啁啾脉冲类型的1微米波段宽带激光，具体进行了数值模似和实验研究，获得目前国内最高能量的百焦耳级宽带啁啾脉冲，初步演示了新型总体技术的可行性。首先将激光脉冲的带宽区分为“窄带”、“准宽带”、“宽带”、“大宽带”和“极宽带”五个层次。吸取前人研究成果，归纳提炼出较为完整的放大动力学理论框架，即精确理论模型（或标准理论模型）、实用理论模型和简化理论模型。对不同带宽层次、不同谱线加宽及能级弛豫机制，确立了相应近似度的放大方程组。针对磷酸盐钕玻璃放大系统，对1微米波段的啁啾脉冲型宽带激光，具体进行了数值模拟和实验研究。建立了时间-光谱实时测量系统，同时测量啁啾脉冲的光谱、脉宽及啁啾时空特性。实验结果基本校验了理论计算的准确性，并获得目前国内最高能量的百焦耳级宽带啁啾脉冲。为获得大带宽、大能量、百飞秒激光脉冲，需充分利用钕玻璃的增益线宽（约20nm）。提出了三种光谱整形方案，用以补偿增益窄化效应，实验研究在进行中。产生1微米波段飞秒宽带光源和啁啾脉冲宽带放大的实验结果，初步演示了新型总体技术的可行性。本论文研究的新型宽带高功率激光系统总体和关键技术，具有创新技术初期所共有的不成熟性、风险性和非共识性，国际上也尚无成功先例。论文虽已取得若干前期探索的研究成果，但在理论上和实验验证上都还有不小差距，一些重要的物理问题，如非线性自聚焦效应、色散效应、高效宽带倍频和脉冲压缩等，本论文未及展开研究；限于实验条件，高通量运行下的负载能力、稳定性、可靠性等工程问题还未得到充分考核和验证等。本文的工作只是一个开始，今后要继续以大型科学工程为需求牵引，进一步提炼核心科学技术问题，深入地进行基础性研究，严格地考核工程技术可行性，在坚实的科学技术基础上完善和发展“Hi-FPN激光系统”的总体和关键技术。

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第一章绪论

1.1 概述

1.2 高功率激光驱动器的基本特点

1.3 纳秒级高功率激光驱动器发展历程与现状

1.3.1 纳秒级高功率激光驱动器发展的三个阶段

1.3.2 国外研究现状与规划

1.3.3 国内发展历程与现状

1.4 高能拍瓦激光系统发展历程与现状

1.5 飞秒量级百 TW激光系统发展历程与现状

1.6 论文主要研究内容与安排

第二章 Hi-FPN基本概念与关键问题的初步分析

2.1 概述

2.2 问题的提出

2.2.1 高能量密度科学研究的需求牵引

2.2.2 高功率激光驱动器发展的主要受限条件

2.2.3 未来高功率激光驱动器发展趋势的预测

2.3 Hi-FPN概念的基本内涵

2.4 宽带激光传输特性研究的回顾

2.4.1 早期研究的主要结果

2.4.2 近期研究的主要结果

2.4.3 宽带激光脉冲传输的主要特点

2.5 Hi-FPN激光系统的科学基础

2.5.1 Hi-FPN激光系统基本问题的初步分析

2.5.2 宽带激光传输放大的能量转换问题

2.5.3 Hi-FPN激光系统光束控制的基本问题

2.6 Hi-FPN激光系统基本组成与关键技术分析

2.6.1 Hi-FPN激光系统的基本结构

2.6.2 宽带前端系统

2.6.3 宽带预放系统

2.6.4 宽带主放大系统

2.6.5 宽带靶场系统

2.7 本章小结

第三章基于参量频移实现的长、短脉冲“零同步”输出的实验研究

3.1 概述

3.2 实验研究的基本思路

3.2.1 基于光参量放大的惆啾脉冲放大技术研究现状

3.2.2 实现长、短激光脉冲“零同步”输出的基本思路

3.3 理论基础与关键技术

3.3.1 光参量过程的基本原理

3.3.2 飞秒脉冲参量放大的理论研究

3.3.3 超连续谱产生机理与理论研究

3.3.4 飞秒超连续谱的产生机制及其空间基本特征

3.4 实验系统与主要研究结果

3.4.1 实验系统简介

3.4.2 固体介质中飞秒超连续谱产生的实验研究

3.4.3 参量频移的实验研究

3.5 本章小结

第四章宽带激光脉冲放大动力学问题研究

4.1 概述

4.2 宽带激光脉冲定义与判据

4.2.1 宽带激光脉冲的理论判据

4.2.2 宽带激光脉冲的应用判据

4.2.3 激光脉冲“带宽”的初步划分

4.3 基于受激跃迁机理的激光放大动力学模型

4.3.1 放大过程的各类驰豫效应

4.3.2 放大过程的均匀加宽与非均匀加宽效应

4.3.3 放大过程的交叉驰豫效应

4.3.4 早期研究工作的回顾

4.4 激光放大动力学理论框架

4.5 激光放大动力学的基准方程组

4.6 激光放大动力学的近似方程组

4.6.1 一类近似方程组

4.6.2 一类近似方程组两个特例的讨论

4.6.3 二类近似方程组

4.7 激光放大动力学的一类扩展方程组

4.8 激光放大动力学的二类扩展方程组

4.9 本章小结

第五章啁啾脉冲系统增益特性的实验研究

5.1 概述

5.2 啁啾脉冲激光演示实验系统简介

5.3 钕玻璃系统啁啾激光脉冲放大的理论研究

5.3.1 基本理论模型

5.3.2 基本计算方法

5.3.3 模拟计算的主要结果

5.4 啁啾脉冲传输放大特性的实验研究

5.4.1 啁啾脉冲时间-谱测量原理

5.4.2 系统标定方法

5.4.3 系统实验结果与讨论

5.5 关于宽带脉冲光谱补偿的进一步讨论

5.5.1 光谱补偿技术概述

5.5.2 光谱补偿新方法的初步探索

5.6 本章小结

第六章论文总结

6.1 论文基本结论

6.2 论文主要不足与今后研究重点

参考文献

作者简历及攻读博士学位论文期间发表的论文

致谢

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