高功率激光宽带倍频技术研究

论文摘要

大于10nm宽带激光的高效率谐波转换是激光领域长期没有得到真正解决的技术难题，而又是若干重要应用领域所迫切需求的。在用于惯性约束聚变的高功率激光驱动器中，受KDP晶体色散特性的影响，高效二倍频和三倍频仅适合于单纵模的窄带激光。而今后的一个重要发展趋向是采用宽带激光传输和放大，高效率谐波转换将成为技术发展的瓶颈。另一方面，用于高能量密度科学(如强场物理、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)的超强超短脉冲激光器，为进一步提高脉冲信噪比等关键性能和适应新概念物理实验需要，也要求对超短脉冲进行倍频。由于超短脉冲的带宽很宽，难以实现高效率的谐波转换，往往采取减薄晶体的办法，牺牲效率换取带宽。因此，宽带激光的高效率倍频是一项有重要实际意义的研究课题，并需要有突破常规的技术创新去解决难题。由于大能量的超强激光器多数采用钕玻璃为放大介质，因此1μm波段的高效率宽带倍频更为重要，技术困难也更为突出。本论文提出了以“折返点匹配”原理来解决高效率宽带倍频问题的总体方案，在理论上和实验上系统地研究了低功率和中、高功率下1μm波段宽带倍频的特性及可行性，取得了重要的突破。相关论文在OE、CPL、JQE(修改)等学术刊物发表。论文的主要内容和创新点有：一．提出了基于“折返点匹配”原理实现大带宽倍频的技术方案，建立了相应的理论模型，并进行了细致的数学推导和理论分析，阐明了“折返点匹配”实现高效宽带倍频的物理图像和深层次本质，指出“两个补偿”——双折射补偿(位相匹配)与反常色散(群速度)补偿是折返点匹配技术的关键。二．完成了在1μm波段具有大接受带宽的非线性光学晶体的设计，委托国内合作单位按要求首次成功生长出部分氘化KDP晶体，并进一步探讨了通过优化晶体参数扩大“折返点匹配”技术应用范围的可行性。从大口径高功率激光系统的工程化应用需求，晶体设计不仅需要考虑材料生长技术的可行性，而且还要考虑可大尺寸生长和化学组分稳定性。大口径非线性光学晶体缺乏选择性，只能是KDP晶体或具有类似化学组分的KD~*P晶体等，但它们的相位匹配折返波长与钕玻璃增益介质的中心波长(1.053μm)并不一致。我们提出以部分氘化KDP晶体作为解决方案，通过氘化率控制，调整相位匹配折返波长。在我们的设计中，氘化率为12％的1cm长度部分氘化KDP晶体可以支持带宽大于20nm的高效倍频转换。三．详细分析了低功率密度泵浦下的“折返点匹配”宽带倍频特性，研究了群速色散对倍频过程的影响，并创新地提出了以泵浦激光脉冲的“时间聚焦”方式来补偿群速色散的技术路线。即通过向入射基频光引入合适的初始啁啾，对晶体的色散进行预补偿，以实现对基频光脉冲宽度的主动控制，从而提高转换效率。研究表明，通过优化初始啁啾量、相位失配量和色散参数能取得最佳的补偿效果。“时间聚焦”的补偿方式同样适用于中、高功率下的宽带倍频，只是低功率倍频时晶体厚度较厚，色散补偿的效果更为显著。四．研究了中、高功率密度泵浦下的“折返点匹配”宽带倍频特性，分析了相位失配引起的逆转换、三阶非线性效应对转换效率、脉冲形状和光谱分布的影响及机制。在高功率密度的倍频中，三阶非线性效应引起的相位失配是导致能量逆转换、并最终限制入射功率密度和晶体长度的根本原因；自相位和交叉相位调制引起的非线性相移是导致光谱展宽和光谱调制的根源。研究结果表明，初始相位失配与群速失配均能有效地补偿三阶非线性效应，提高转换效率，改善脉冲形状和光谱分布。基于这些研究结果，论文讨论了倍频系统优化设计的依据。五．实验演示了1μm波段高效宽带倍频。利用设计的部分氘化KDP晶体，首次实现了1.053μm激光的高效宽带倍频，转换带宽大于20nm，转换效率最高达到55％(对高斯形脉冲)。该实验结果充分验证了“折返点匹配”原理解决高效率宽带倍频问题的可行性，并为该技术向大口径、高能量情形拓展奠定了扎实的基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 综述
• 1.1 激光惯性约束聚变概述
• 1.2 国内外高功率激光驱动器发展状况
• 1.2.1 纳秒级高功率激光驱动器
• 1.2.1.1 国外高功率激光驱动器研制计划
• 1.2.1.2 中国高功率激光驱动器
• 1.2.2 皮秒量级高能PW激光驱动器
• 1.2.2.1 美国高能PW激光装置研制计划
• 1.2.2.2 日本高能PW激光装置研制计划
• 1.2.2.3 英国高能PW激光装置研制进展
• 1.2.2.4 法国高能PW激光装置研制进展
• 1.2.3 飞秒量级百TW激光系统
• 1.2.4 FPN激光驱动器概念的提出
• 1.3 宽带谐波转换概述
• 1.3.1 ICF激光驱动器的带宽需求与"光谱瓶颈"
• 1.3.2 谐波转换技术的发展
• 1.4 宽带二次谐波转换的解决方案及比较
• 1.4.1 宽带二次谐波转换的困难
• 1.4.2 宽带谐波转换的解决方案
• 1.4.2.1 光谱角色散方案
• 1.4.2.2 啁啾匹配方案
• 1.4.2.3 晶体级联方案
• 1.4.2.4 折返点匹配方案
• 1.4.3 诸解决方案的比较
• 1.5 本论文的主要内容
• 2 折返点匹配宽带二倍频理论模型及分析
• 2.1 理论模型及解析解
• 2.1.1 耦合波方程组
• 2.1.2 小信号解析解
• 2.1.3 理论分析
• 2.2 折返点匹配的物理图像和本质
• 2.2.1 折返点匹配的物理图像
• 2.2.2 折返点匹配的"两个补偿"
• 2.3 晶体的折返特性
• 2.3.1 晶体结构与反常色散
• 2.3.2 晶体改性
• 2.4 小结
• 3 低功率密度下宽带二倍频
• 3.1 计算模型和方法
• 3.1.1 计算模型
• 3.1.2 数值算法
• 3.2 时间聚焦的二倍频
• 3.2.1 群速色散的影响
• 3.2.2 时间聚焦的二倍频
• 3.2.3 时间聚焦二倍频结构的优化
• 3.2.4 一个实例
• 3.3 小结
• 4 中等功率密度下宽带二倍频
• 4.1 相位失配限制
• 4.1.1 小信号近似下的相位失配限制
• 4.1.2 高功率密度下的相位失配限制
• 4.1.3 高功率密度下的接受带宽
• 4.2 倍频光的带宽
• 4.2.1 理论分析
• 4.2.2 计算
• 4.3 转换效率
• 4.3.1 逆转换
• 4.3.2 晶体长度的优化设计
• 4.4 小结
• 5 折返点匹配宽带二倍频实验
• 5.1 实验装置
• 5.2 实验结果及讨论
• 5.2.1 光谱变化情况
• 5.2.2 倍频光光谱分布和脉冲形状
• 5.2.3 转换效率
• 5.3 小结
• 6 高功率密度下的宽带二倍频
• 6.1 三阶非线性效应的影响
• 6.1.1 理论处理
• 6.1.2 自相位调制和交叉相位调制
• 6.1.3 品质因子
• 6.2 三阶非线性效应的补偿
• 6.2.1 相位优化
• 6.2.2 群速失配补偿
• 6.3 小结
• 7 总结
• 7.1 论文基本结论
• 7.1.1 主要研究内容与结果
• 7.1.2 创新点与进步点
• 7.2 论文存在的问题与今后研究方向
• 参考文献
• 作者简历及攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢