皮秒拍瓦激光系统宽带激光放大的精确模型和性能分析

为准确分析皮秒拍瓦激光系统的频域放大特性,通过引入钕玻璃实际受激发射截面,建立了宽频带激光放大的精确模型,对比分析了常用高斯线型近似的不足.针对神光Ⅱ高能拍瓦激光系统,分析了不同线型下,注入种子的光谱形状、中心波长以及能量稳定性对放大系统的影响.结果表明:实际线型会加剧增益窄化效应;对于10^(7)增益,光谱将窄化为3 nm,系统累积B积分增大至1.7;窄化效应降低了注入种子中心波长的要求,增益饱和会使输出能量稳定性提升近一倍.在上述基础上,进行了宽频带激光放大的实验研究,对于注入的10 nm(FWHM)超高斯、1054 nm中心波长、3%(RMS)稳定性的参量放大种子,实现了1900 J、中心波长1054.2 nm、谱宽3 nm的输出,发次能量稳定性<1.8%,与分析结果一致.本文结果将对国内基于钕玻璃的高能宽带激光装置建设和改进提供重要的参考依据.

基于铌酸锂双折射晶体的皮秒拍瓦激光系统光谱整形

为补偿皮秒拍瓦激光系统中钕玻璃宽带放大引起的增益窄化,提出了一种基于铌酸锂双折射晶体的高能量光谱整形方法.在相同强度调制下,对比了BBO、铌酸锂和石英3种晶体,针对1053 nm激光,选用了高双折射率、大口径且不易潮解的铌酸锂作为整形晶体.理论分析了晶体厚度、倾斜角、面内旋转角对强度调制的影响,发现它们分别决定调制的带宽、中心波长及深度.并对整形过程中晶体引入的光谱相位进行了分析,发现各阶色散量随晶体厚度、倾斜角、面内旋转角变化的规律,因此可通过上述参数控制各阶色散量.在此基础上,开展了中心波长为1053 nm、带宽为10 nm、调制深度为80%的光谱整形实验和相位测量实验,实验与理论分析相一致.针对神光Ⅱ皮秒拍瓦激光系统,利用上述整形方案,国内首次实现了1700 J, 6 nm (FWHM)的高能宽带激光输出,有效补偿了增益窄化.研究结果对国内基于钕玻璃放大系统的宽频带激光装置的工程研制具有重要意义.

用衍射器件校正高能拍瓦激光系统色差的设计研究

高能拍瓦激光器系统中的空间滤波器透镜的色差会影响聚焦强度。研究了用衍射器件预校正系统轴向色差的可行性及设计方法,并给出具体的设计实例。结果表明,单片衍射器件可以预补偿高能拍瓦激光系统的轴向色差,且其总光焦度为零易于使用,特征线宽为数微米。为高能拍瓦激光系统的色差校正提供了一种新的解决思路。

大口径透镜色差对多程结构钕玻璃拍瓦激光聚焦时空特性的影响

本文基于宽频带激光在透镜中的衍射传输理论,针对国内多程放大结构的高能拍瓦激光系统设计,研究了大口径透镜导致的脉冲时间延迟(PTD)对宽频带激光焦斑时空特性的影响。研究发现,当宽带激光口径达到360 mm×360 mm时,透镜导致的最大PTD约为2.5 ps,当在3.2 nm的傅里叶变换极限带宽下脉冲宽度为0.5 ps和光束质量为1倍衍射极限(DL)时,聚焦过程时空耦合效应最强,时间波形发生畸变的同时,90%的能量集中度对应的焦斑尺寸也将增加一倍;但当压缩脉冲宽度在≥1 ps或远场光束质量不小于5倍DL时,焦斑的时空耦合效应变弱,PTD带来的影响可以忽略。该研究结果将为国内高能拍瓦激光系统的透镜色差补偿和聚焦性能提升提供重要的理论依据。

拼接光栅的偏差对光束空间特性的影响

用拼接小尺寸多层介质膜衍射介质膜衍射光栅的办法制作大口径的高破坏阈值光栅成为解决拍瓦激光系统输出能量的关键技术———光栅拼接技术。拼接的每个光栅都存在五维自由度的偏差,对激光脉冲的空间特性和时间特性产生影响。用夫琅禾费衍射的方法分析了拼接光栅的偏差对光束空间特性的影响,建立了偏差和远场强度分布之间的函数关系并用数值方法进行模拟,得出角度偏差对光束远场分布的影响可以忽略,而位移偏差:光栅间拼缝和前后位移偏差是影响光束远场分布的关键因素。

基于自相关的纳焦级弱信号10^11高动态范围测量

为实现弱信号对比度的高动态范围测量,基于二阶自相关理论,提出了一种实现纳焦级弱信号对比度高动态范围测量的方法。理论分析了能量(功率)、相位匹配和测量噪声对测量动态范围的影响,发现通过对测量噪声能量的光子计数进行探测、精确设置相位匹配过程中的非共线角,并采用聚焦和滤波方式对测量噪声进行抑制,可有效提升测量的动态范围。在此基础上,建立了一台弱信号高动态范围测量系统,利用神光II高能拍瓦激光种子源,实现了纳焦级弱信号1.0×10^11的高测量动态范围,这一数值与理论分析结果相符;同时,实现了种子源4.3×10^8对比度的准确甄别。研究结果对国内高能拍瓦激光系统对比度的提升具有重要意义。

宽带高阈值低色散镜的性能研究

宽带高损伤阈值低色散镜是拍瓦激光系统中不可或缺的光学元件。系统性地研究了金属-介质镜、介质镜和组合介质镜的光学性能、色散特性、抗损伤特性以及损伤机理。介质膜能够提高金属膜的损伤阈值,银-介质低色散镜的传输效率和损伤阈值比Au、Al更高;在飞秒激光作用下,金属-介质镜在近损伤阈值处为典型的鼓包形貌,这是由于金属层吸收了大量能量而产生了热应力破坏。在组合介质镜中,保护层HfO2的存在降低了Ta2O5中的电场,初始损伤层被转移至HfO2中,且在不牺牲反射带宽和色散性能的前提下介质膜的损伤阈值得到了提升。