波长编码的单次高时空分辨全光学探针

激光探针法是捕捉超快动力学过程的主要方法之一,在等离子体物理、光化学、生物医学等领域都有着广泛的应用.本文提出一种时间波长编码的探针光产生方案,该方案通过级联不同相位匹配角的倍频晶体和独立的延迟线来实现时间波长编码,具有单次高时空分辨率、高帧率、时间窗口可调范围广、时间分辨率和时间窗口参数独立可调的优点.在实验中搭建了一套探针光产生装置,具有247 fs的时间分辨率、4μm的空间分辨率、4.05 THz的最高帧率、时间窗口从亚皮秒到3 ns可调,将该装置用于捕捉飞秒激光诱导的光丝的动力学过程,证明该探针光产生方案用于捕捉超快动力学过程的可行性.在讨论中,分析了探针光关键参数能达到的极限帧率为35.7 THz,极限时间分辨率为28 fs,时间窗口的范围可以从百飞秒到几十个纳秒进行调节.探针光的高时空分辨率和参数互相独立可调的优点,为多时间尺度的超快动力学过程的单次高时空分辨捕捉提供了一种可行方案.

基于多路激光合束的高功率激光技术研究进展

在激光领域,不断地探寻高功率高亮度的激光源是该领域科研工作者一直坚持的方向,而且在各大领域也有着重要应用。然而,单一激光器输出功率的提高有着很大的难度,而另一种获得高光束质量激光源的方式成为目前主要的研究方向——多光束合成技术。本文调研了近年来利用多光束合成技术产生高功率激光方面的研究进展,特别对相干光束合成和光谱合束两种技术路线做了详细的介绍。最后展望了未来激光合成技术的发展方向。

不同含氘量DKDP晶体参量匹配与放大啁啾脉冲压缩特性分析

针对在808 nm波段的光参量放大系统(OPA),详细分析了氘化磷酸二氢钾(DKDP)晶体非共线相位匹配的非线性过程。通过数值计算,给出了不同氘化率的DKDP晶体参量匹配特性以及匹配参数;在此基础上,利用OPA耦合波方程组分析了基于氘化率为95%的DKDP晶体的光参量啁啾脉冲放大器(OPCPA)的输出特性。结果显示,对大于30 fs压缩脉宽的超短脉冲激光系统,氘化率为90%以上的DKDP晶体具有足够的增益带宽与能量提取效率,但接收角较小,增加了工程调节难度。

YCOB晶体非共线相位匹配技术研究

以中心波长为1053nm的信号光及中心波长为532nm的抽运光光参变放大过程为例,通过数值模拟,详细分析了三硼酸氧钙钇[YCa4O(BO3)3,YCOB]晶体XOY与XOZ主平面内,非共线相位匹配的匹配特点与增益特性。按照相位匹配技术主要参数定义要求,不经近似,通过数值计算,给出了最佳非共线角、相位匹配角、参量带宽、走离角、接收角和有效非线性系数与增益带宽。结果显示,YCOB晶体具有很大的增益带宽与较大的增益,较大的接收角和小的走离角;作为增益介质,不仅可以用于大能量高功率固体激光器,也可以用于几十飞秒量级超短脉冲激光系统。

单模光纤对啁啾脉冲对比度的影响

以非线性薛定谔方程为基础,针对纳秒量级高斯型啁啾脉冲在单模光纤中的传输问题展开讨论,利用分步傅里叶方法,通过数值模拟,研究讨论了色散与非线性效应对展宽器展宽后啁啾脉冲频谱以及波形的影响,在此基础上,讨论了压缩后输出信号光的对比度问题。研究结果表明,中心波长为1053 nm的低峰值功率(I<30 mW)输入啁啾信号光脉冲,在单模光纤内传输200 m后,脉冲对比度在3 ps的时间窗口上可达到1025量级。

啁啾脉冲的光谱整形

为了获得更高功率的输出激光脉冲,需要将注入到主放大链的种子脉冲进行光谱整形来补偿放大过程中的增益窄化效应。利用展宽器中啁啾脉冲的光谱具有空间排布的特点,采用石英晶体平凸透镜空间光强度调制器间接地实现窄带激光脉冲的光谱整形,在展宽器的输出端获得了光谱呈平顶分布的种子啁啾脉冲。通过调节偏振片的透偏方向,可方便地调谐输出脉冲光谱的形状。

超短激光脉冲对比度的三阶相关测量

在超强超短激光脉冲与物质相可作用过程中,良好的激光脉冲对比度是一个非常重要的参数指标。为了扩大对超短激光脉冲对比度的测量范围,准确地测量超短激光脉冲的对比度,利用非线性品体对激光脉冲强度变化十分敏感的特性,研究了超短激光脉冲三阶相关信号的产生过程,并在此基础上,研制了一台三阶相关仪,对一台飞秒激光振荡器进行了脉冲对比度的测量研究。测量结果表11月,通过在测量光路中加入聚焦透镜进行聚焦准直,可以有效提高激光脉冲的倍频效率,从而大幅提高该二阶相关仪的可测动态范围。该测量系统目前可实现的可测动态范围达到约108。

基于YCOB晶体分析信号光脉冲时间特性对光参变啁啾脉冲放大光谱和转换效率的影响

基于YCOB晶体中三波耦合方程理论模型,在抽运光波形和能量、晶体长度相同的条件下,研究信号光的时间波形对光参变啁啾脉冲放大(OPCPA)光谱和转换效率的影响。计算过程中,抽运光和信号光能量分别为45J和500mJ,光斑直径分别为60mm和50mm。抽运光脉宽取3ns,信号光脉宽为1.2ns。数值结果显示,信号光放大后的光谱和转换效率与输入信号光的时间波形有关。1阶高斯型脉冲光谱的半峰全宽(FWHM)得以展宽,由原来的36nm展宽为放大后的61nm,2阶超高斯脉冲频谱展宽为47nm,高斯脉冲的阶数越高,谱宽展宽越小,5阶和5阶以上的高斯脉冲光谱不再展宽,几乎保持原来36nm不变;1阶高斯脉冲的转换效率最高,达到32%左右,2阶高斯脉冲只有25%,8阶以上转换效率基本变化不大,约为19%。信号光脉冲时间特性对OPCPA的光谱输出和转换效率产生很大的影响。

ffner展宽器曲面镜误差对输出脉冲对比度的影响

在Offner展宽器的设计研究中，对曲面镜曲率半径的误差研究非常重要，它直接影响输出脉冲的质量。因此有必要分析Offner展宽器中曲面镜曲率半径的误差对输出脉冲对比度的影响。参考Offner展宽器的光线追迹模型，建立了Offner展宽器中曲面镜曲率半径存在误差时的光线追迹模型；根据建立的模型，详细分析了曲面镜曲率半径的误差对输出脉冲质量的影响；发现在目前曲面镜曲率半径的加工误差在0．2％～0．5％的情况下，完全可以满足神光II拍瓦激光装置中对展宽器的要求；同时发现如果曲面镜曲率半径存在误差时，应该尽量使两曲面镜之间的距离保持为凹面反射镜曲率半径的一半，而不是使两曲面镜保持同心。

展宽器中非对称光谱剪切对输出脉冲对比度的影响

在展宽器中,光谱的剪切情况非常重要,它直接影响输出脉冲的质量。以ffner展宽器为例,参照以往建立的光线追迹模型,建立了分析展宽器中光谱剪切的模型。发现当展宽器的参数确定好后,光栅放置的位置对激光脉冲光谱剪切有非常重要的影响。当光栅相对于光轴中心对称放置时,展宽器容许通过的光谱相对于激光中心波长将是非对称分布的,即此时在展宽器中发生的光谱剪切为非对称光谱剪切,在神光II第9路拍瓦激光装置中,这种非对称光谱剪切将使输出脉冲对比度下降一个数量级。为了使展宽器中通过的光谱相对于激光中心波长对称分布,需要将光栅相对于光轴非中心对称放置。

神光Ⅱ终端光学组件的频率变换逆问题研究

在激光惯性约束核聚变(ICF)精确打靶中,对激光束变换、整形和控制要求苛刻,通过数字在线操控技术能够在线实现激光系统的自动校准,而频率变换是数字在线操控技术中的关键一环。在不进行逼近迭代计算的情况下,基于可逆的傅里叶变换和龙格-库塔算法,对神光II终端靶场系统中负单轴晶体KDP的"I+II"类频率变换的逆问题进行了探讨和相应的算法研究,并给出了对应的模拟计算结果。最后,与神光装置运行的实验数据进行比对,验证了频率变换逆问题算法的正确性和稳定性。

基于双密度棱栅的新型超短脉冲色散补偿装置

针对光参量啁啾脉冲放大系统中的色散特性,提出了一种基于双密度棱栅的新型超短脉冲色散补偿装置。该色散补偿装置包括一对互相平行的光栅和一对斜边平行放置的同等大小的等腰直角棱镜,第二个光栅的线密度是第一个的两倍。建立光线追迹模型,通过数值计算,讨论了装置各结构参数对装置色散补偿量的影响。结果表明,该装置可以在补偿系统剩余线性啁啾(二阶色散)量的基础上,独立补偿三阶色散,且补偿量可在较大正负范围内变化,适用于飞秒量级超短啁啾脉冲系统的色散控制。

超短超强激光装置中消色差技术的研究与进展

由于超短超强激光装置中光谱带宽较宽,使用传统的空间滤波器透镜组扩束会导致装置色差的积累,严重影响终端焦斑的质量。介绍了国内外用于超短超强激光装置中消除色差影响的主要技术与研究进展,对比总结了几种主要方案的优缺点,并提出了一种可动态精确补偿装置色差的方案,经实验验证已应用于实际工程中。最后对色差补偿的发展方向进行了分析与展望。

基于波前传感器的宽带光谱激光系统空间啁啾

分析了空间啁啾对宽带光谱超短脉冲激光系统的影响,提出了利用波前传感器研究神光II 5PW(SG-II-5PW)装置空间啁啾的实验方法。实验中采集了宽光谱超短脉冲激光经过展宽器及多级空间滤波器后的波前特征,测量了系统光路产生的横向空间啁啾和波前像差中心相对系统光轴的偏移量,并通过实时调节色散调节器来消除激光装置的空间啁啾。对比分析了横向空间啁啾被消除前后的波前分布,计算结果表明SG-II-5PW装置激光光束的聚焦性能和远场能量集中度可得到显著提升。

基于变焦像传递的飞秒拍瓦激光系统色差补偿

高功率超短脉冲激光系统中,空间滤波器透射元件引入的色差会影响系统的聚焦功率密度。针对这一问题,提出一种具备动态调节能力的色差预补偿方案。该方案由正负透镜和反射系统构成共焦像传递系统,能够实现全系统色差的动态精确补偿。基于该方案为神光-II 5 PW(SG-II 5 PW)激光系统设计并搭建了色差预补偿光路。实验结果表明,通过精密调节该单元内部透镜间距能够精确补偿全系统的色差,显著提升系统峰值功率密度。经过色差补偿后,在SG-II 5 PW系统开展质子加速实验,获得了超过16 MeV的质子产额。

基于DKDP晶体的808nm波段光参量放大研究（英文）

近年来,在800nm波段进行光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)的实验受到了极大的关注,这得益于大口径高能钕玻璃激光装置及其倍频技术(SHG)的逐渐成熟,非线性晶体生长技术的发展,以及钛宝石锁模飞秒激光器的商业化。理论分析了基于氘化磷酸二氢钾(DKDP)的808nm波段宽带光参量啁啾脉冲放大现象。具体分析了DKDP晶体的氘化率从0提高至99%时的相位失配情况,并且在考虑光吸收情况下,数值模拟了几种高氘化率DKDP晶体的大能量光参量放大(OPA)过程。结果表明,大于90%氘化率的DKDP晶体在800nm波段可实现宽带OPCPA。

基于全光纤光谱干涉的多路超短脉冲时间同步单次测量技术

提出一种基于全光纤光谱干涉的多路超短脉冲大动态范围时间同步单次测量方法,弥补了非线性相关法测量同步状态时测量范围小和示波器测量时分辨率差的不足,解决了同步测量中空间光路的复杂性和单次实时测量的难题。首先对多路光纤阵列干涉测量进行仿真计算,然后设计四路脉冲传输的光路并在实验中验证多路同步单次测量方法的可行性,最后详细分析测量误差的来源和影响。该测量方法的最小同步时间精度为5.3fs,测量范围为1.055~14.751 ps,与仿真结果有较好的一致性。该测量方法具有光纤链路易于集成、光谱干涉数据处理速度快、测量信号能量需求低等优势,在多路超短脉冲激光相干合束系统中有重要应用前景。

高功率超短脉冲系统等离子体镜的焦斑退化分析

等离子体镜是一种有效提升高功率超短脉冲激光信噪比的方法,但在一部分实验中使用等离子体镜后焦斑出现了退化现象。为了定量研究等离子体镜的焦斑退化问题,提出基于等离子体膨胀和衍射传输的时空聚焦多步传输算法,通过光束质量评价函数定量分析等离子体膨胀时间、波前误差幅值和空间频率对焦斑退化的影响。仿真结果表明,等离子体镜引起的远场焦斑退化主要是由等离子体膨胀时间和波前误差引起的等离子体膨胀不均匀所致,其中,等离子体膨胀时间是主导因素。并且波前误差的幅度越大、空间频率越低,对聚焦能力的影响相对越大。从高信噪比、高功率激光系统输出能力的角度考虑,对于使用等离子体镜的高功率超短脉冲激光系统提出时空上的光束质量要求,以避免远场焦斑的退化问题。

SGⅡ-5 PW激光系统大能量光参量放大器光束近场分布均匀性

为了提高神光Ⅱ 5PW(SGII-5PW)超短脉冲激光系统的运行安全性,针对大能量光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)光束近场分布均匀性问题,从理论上进行了数值模拟,并与实验数据进行了对比分析。在1PW级放大器模拟中,以预放大器以及神光Ⅱ大能量抽运脉冲的测量数据为基础,利用参量耦合波方程组数值模拟方法,得到了近场填充因子与光通量对比度在光参量放大过程中的演变,并结合转换效率与输出稳定性进行讨论,得到了对应于高光束质量、高转换效率与高稳定性的非线性晶体长度优化范围,结果还表明抽运光对放大后光束均匀性影响较大,进一步提升神光Ⅱ第7路光束质量是大幅提升第2级OPCPA(OPCPA-Ⅱ)光束均匀性的切实途径。

Analysis of ultra-broadband high-energy optical parametric chirped pulse amplifier based on YCOB crystal

A new type of optical parametric chirped pulse amplifier is designed and analyzed for the amplification of pulse centered at 808 nm.A novel crystal,yttrium calcium oxyborate YCa4O(BO3)3(YCOB),is utilized in the power amplification stage of optical parametric amplification(OPA).Noncollinear phase matching parameters in the xoz principle plane of YCOB,compared with those in BBO and DKDP,are analyzed by numerical simulation.The results show that YCOB rather than DKDP can be used in the power amplification stage of OPA to realize the amplification of chirped pulse to several joules with a gain bandwidth exceeding 100 nm.This can be used to gain a high intensity pulse of ～10 fs after the compressor.