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。

高功率激光装置快速自动准直系统

为提高自动准直效率,结合以太网,设计出一套新型光路自动准直控制和检测方案.该方案采用基于耦合矩阵的前馈补偿及图像Jacobian矩阵的近远场串并行准直方式,并引入局部自适应阈值和二值化算法,同时将模糊控制算法运用到步进电机的调整过程中,提高光束近远场图像的处理精度,降低系统的准直时间.实验结果表明,该准直系统远场的平均调整误差为空间滤波器小孔直径0.44%,能够满足准直系统远场调整精度(小于小孔直径5%)的要求,准直时间由原有的30mins缩短至12mins左右.

高功率激光参数测量中高倍率衰减方案

在高功率激光参数测量中,高倍率衰减方案设计是空间分布测量的关键。分析了远场测量光学系统,将95%环围能量直径作为评价远场测量系统的重要指标,明确了高倍率衰减对远场测量结果的影响,确立了高倍率衰减方案的设计原则。利用Virtual Lab软件,针对单个平板、成对平板、成对楔板三种常见的高倍率衰减方案,分析了衰减片摆放角度、位置、厚度、成对衰减片间距等因素对于远场测量系统的影响。针对焦距3 000 mm,F数为10的缩束系统,考虑杂散光对于远场测量的影响,优化得出最佳高倍率衰减方案。该方案下,远场像面处95%环围能量直径为45.5μm,即3.54倍衍射极限。

用于高功率激光装置的压电步进驱动器

根据神光Ⅱ高功率激光装置的具体工程需求,设计了一种以层叠式压电陶瓷为驱动元件的新型压电步进驱动器。驱动器利用杠杆机构实现箝位机构和进给机构交替箝位动子,通过对压电陶瓷小步距的位移连续累加的步进方式,实现大行程直线位移;具有控制简单、行程大、分辨力高及断电箝位的特点。样机试验结果表明,驱动器的运动分辨力达到nm级,步距分辨力达到50nm,行程21mm。

高功率激光器自动准直系统图像处理的可信度评估

自动准直系统是将采集的图像进行特定算法处理获取光束的位置信息,驱动电机调整光斑到指定的位置,其中图像质量对光束定位的精确性影响很大,为尽量避免受严重噪音和光束畸变影响的图像进入图像处理流程而产生准直结果的错误判断,保证自动准直系统图像处理结果的精确性,试图提供一种较为简单的判断依据,采用基于Monte-Carlo模拟方法,建立了远场准直过程中三种主要噪音的干扰评估模型,以测量不确定度作为定量判断处理图像与否的特征参数,将该结果做成统计图表作为判断依据。结果表明,在设定合理测量不确定度阈值的情况下,该特征参数能够较好地排除不良图像,从而提高准直结果的可信度。

高功率激光装置空间滤波器小孔准直

利用新型准直远场探测包光栅元件的双向衍射,实现了空间滤波器的小孔准直,特别是对同一段光路中两个空间滤波器的小孔对准.该方案克服了传统滤波器对小孔尺寸的限制并满足远场准直包高稳定性的要求,在光路远场准直的同时实现了小孔中心位置的监测与准直调整,并在以色列项目中得以成功应用,装置实验结果表明:针对装置15倍衍射极限大小的小孔,对准精度小于小孔直径3%,满足装置器件小孔对准调试小于小孔直径4%的要求.

百皮秒脉冲放大中自相位调制效应实验研究

利用掺镱双包层光纤放大器对百皮秒单脉冲(重复频率1Hz)进行了放大实验,分析了其放大过程中自相位调制对脉冲时域和频域特性的影响.采用小芯径(纤芯直径6.5μm)掺镱双包层光纤作为增益介质,研究了放大器中从小信号增益到增益深度饱和整个变化过程中自相位调制引起的频谱展宽效应,并分析了SPM引起的脉冲波形和频谱光强分布的变化.采用布喇格光纤光栅扫描方法观察了其光谱的变化,解决了单脉冲光谱不易测量的问题.结果表明:区别于无源光纤中的自相位调制效应,随着抽运功率的增加,百皮秒脉冲放大过程中增益饱和效应和自相位调制效应的共同作用,使脉冲频谱分裂成不对称双峰结构,且光强分布先向短波后逐渐向长波集中.

超高功率超短脉冲发展的现状及相关科学问题

超高功率超短脉冲激光系统在其聚焦焦点附近可以实现高达1022-24 W/cm2的峰值功率输出,为强场物理实验研究,以及实验室内模拟极端环境下的天体物理条件提供了直接的实现方案.自从国际上首次提出了建造EW激光的概念,即输出总功率达到1018 W的大型激光系统后,国际上很多国家都在设计和建造大规模的超高功率超短脉冲激光系统.本文简要介绍了国际上这种规模激光系统的发展状况,并结合国内超高功率高能超短脉冲激光的发展,对超高功率超短脉冲激光系统发展中相关技术问题进行阐述.

高功率激光装置前端和预放大系统精密调控技术进展

高功率激光装置是研究激光聚变和高能量密度物理的重要技术手段之一。激光聚变点火对激光装置的能量控制精度、时间功率曲线的控制能力、光谱的控制以及近远场光束质量的控制等都提出了极高的要求,这些参数都能直接影响到激光聚变的物理实验结果。国内高功率激光装置的前端和预放大系统在过去60余年取得了巨大进步,从最初单一的时间波形控制和同步静态控制发展到了当前的激光光束的高稳定全域主动控制。综述了神光II系列激光装置前端和预放大激光系统的精密调控技术的发展历程。

激光等离子体不稳定性及其抑制方案研究

受激拉曼散射、受激布里渊散射等激光等离子体不稳定性(LPI)是激光等离子体物理领域最重要的研究课题之一。特别是在激光驱动的惯性约束聚变中,LPI会造成相当份额的激光能量损失,破坏辐射对称性,产生的超热电子还会预热靶丸,进而影响压缩效率和聚变能量增益。近期,在美国国家点火装置上开展的实验表明对LPI物理过程的充分理解和有效控制对成功实现ICF点火至关重要。我们对近期LPI方面的一系列研究进展进行了简单介绍与讨论。首先,回顾了描述LPI过程的三波耦合理论,由此得出了LPI在线性阶段的增长率。接着讨论了一些复杂情景下的LPI物理过程,譬如LPI的非线性发展阶段、级联LPI、多光束LPI以及LPI间的非线性耦合。最后,着重介绍了一系列抑制LPI的技术方案,包括束匀滑技术、光束时域整形、宽带激光、偏振旋转激光以及外加磁场等。

HF酸处理对石英玻璃355nm激光损伤影响研究

利用HF酸处理提高石英玻璃355nm激光诱导损伤阈值,通过优化HF溶液浓度以及石英玻璃表面的酸处理时间,石英玻璃的透过率和损伤阈值均有所提高,均随HF酸浓度以及酸处理时间的增加呈现先增加后下降变化。实验结果表明质量分数10%的HF浓度刻蚀60 min后石英玻璃的激光损伤阈值为15.17 J/cm2,相比酸处理前提高了167.5%。对比分析了相同激光能量密度作用下有无HF酸处理石英玻璃表面损伤面积变化,最后给出了HF酸处理提高石英玻璃的激光诱导损伤阈值机制。

基于飞秒激光微加工的介质膜损伤修复研究

针对波长1053 nm,0?高反介质膜元件,采用有限时域差分法,模拟分析了损伤修复点边缘与法线的夹角对膜层内电场强度分布的影响,该角度越小,修复点的损伤阈值越高.通过优化飞秒激光微加工过程中的焦斑尺寸、脉冲能量、扫描步长和扫描次数等参数,获得了夹角为25?、深度为14μm的修复点.该修复点典型的损伤阈值为21 J/cm2,是修复前的2.3倍,50个修复点的测试结果表明该修复参数具有非常好的可重复性.修复点的测试结果还验证了修复点边缘与法线的夹角大小与其损伤阈值的关系,45?的电场强度最大值约为25?的2.5倍,而45?的损伤阈值约为25?的1/2,模拟和实验结果一致性较好.同时,实验验证了微加工的激光脉宽对修复点损伤阈值的影响,在只改变脉宽的情况下,脉宽越长,损伤阈值越低.

掺Nd^(3+)玻璃微球阵列激光器的热学性能研究

为了研究二极管阵列抽运折射率匹配液冷却的掺Nd3+玻璃微球阵列增益区产生的热效应,采用FLUENT 6.3.26软件建立了激光器增益区流场的热-流-固耦合模型,利用有限元分析法,模拟分析了钕玻璃微球阵列的温度分布与自身尺寸、匹配液流速、微球层数和抽运频率的变化关系及其对热畸变的影响。由模拟结果可知,固体微球激光器的热恢复时间短,冷却效果与微球层数无关,流速增加对小尺寸微球的冷却效果无明显改善;当抽运频率为1Hz时,直径为2mm和4mm的微球增益区的单程最大光程差为3.1nm和51.9nm。结果表明,该构型激光器具有高效的冷却能力。这一结果对微球阵列激光器的热管理是有帮助的。

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.

四程放大高功率激光驱动器动态波前模拟与实验研究

高功率激光驱动器动态波前特征及其规律是激光驱动器光束波前质量控制关键研究内容之一。以神光Ⅱ四程放大高功率激光驱动器为研究平台,使用ANSYS和Matlab对激光驱动器瞬时动态波前进行了模拟计算,并利用哈特曼波前分析仪对驱动器氙灯抽运引入的瞬时动态像差和热恢复像差进行了实验研究,得到其时空特性和变化规律。理论模拟和实验结果具有一致性,单片片状放大器动态像差峰谷(PV)值约为0.12λ(波长λ=1053nm),驱动器总体瞬时动态像差PV值约为5λ,呈"瓦片"形态。模拟计算和实验分析为神光Ⅱ四程放大高功率激光驱动器光束波前质量控制、激光发射顺利通过空间滤波器和片状放大器抽运均匀性优化等提供了重要的参考数据,提升了输出光束远场焦斑能量集中度,提高了驱动器激光发射的成功率和运行效率。

高能皮秒拍瓦激光研究进展、技术挑战及发展趋势

兼具高峰值功率和高脉冲能量两大特征的皮秒拍瓦激光与物质相互作用的物理效果跟脉冲信噪比、聚焦功率密度和时空调控精度等关键因素直接相关。深入研究了这三大因素相应的受限机制、关键技术以及神光II升级装置中皮秒拍瓦激光等典型代表的最新技术进展,对于提升拍瓦激光性能具有指导作用。针对皮秒拍瓦激光的负载受限问题,从元器件损伤阈值、光场退化和洁净控制等方面进行了分析,并综述了基于等离子体光学的脉冲放大及压缩技术在突破高功率激光负载瓶颈的新研究动向。此外,皮秒拍瓦激光要从实验室走向更广泛的应用,还需要持续推进高效高能重复频率皮秒拍瓦激光的技术攻关。

基于空域评价和分布统计的高功率激光装置近场状态分析方法

惯性约束聚变高功率激光驱动器优质的近场分布是提升装置输出性能的关键。研究了高功率激光装置基频近场状态的分析方法,利用统计光学理论,获得了近场通量分布的概率密度函数及其近似表达式,近场的统计特性反映出其整体分布特征及其变化原因,由于信号通量和噪声通量可以用于描述理想的光束分布及扰动,近场分布信噪比能更显著地反映光束受扰动影响的程度;提出并验证了局部对比度和局部调制度的应用可行性,即能够定位近场异常区域并分析其状态演化;通过近场光束的通量统计研究了高通量点的演化过程,提供怀疑发生损伤的区域,并对高通量点与信噪比之间的指数模型提出了对比度的控制要求。研究结果为装置在高功率激光辐照下的安全运行提供了理论基础和实验支撑,提出了新的近场状态评估方法,对装置维护和运行策略调整起到一定的指导作用。

在神光Ⅱ装置第九路系统开展351nm波长激光高通量传输的实验研究

提出一种可实现351 nm波长激光高通量传输的终端光学组件（FOA）的物理设计方案,研究了设计优化方法,并利用神光Ⅱ装置第九路系统开展了实验研究。实验共进行了33发激光发射：激光光束净口径310 mm,时间脉冲宽度3 ns,1053 nm波长激光能量1000~4500 J。实验获得最高三次谐波转换效率69.6%和351 nm波长激光传输通量3.76 J/cm2,同时监测到高通量激光传输引起的动态环境污染物颗粒变化数和光学元件激光诱导损伤等现象。实验结果表明,通量密度约为3 J/cm2@351 nm的光学元件损伤主要是由激光传输散射鬼光束辐照材料所激发的污染物所致。

高功率激光系统中的小尺度自聚焦研究

概述了高功率激光系统中小尺度自聚焦产生的机理及相应的评价标准和分析方法,重点对激光经过钕玻璃介质和频率转换晶体的小尺度自聚焦情况进行了分析和讨论,同时介绍了两种测量小尺度调制增长的方法。针对高功率激光系统,阐述了抑制小尺度自聚焦的几种方法,提出通过控制小尺度调制增量,减少高功率激光的非线性效应对光学元件损伤的方案。指出了聚变级高功率激光技术中非线性效应研究的发展趋势。

高功率激光驱动器波前残余像差研究

准确预校正大能量激光发射时的动态波前像差是高功率激光驱动器自适应光学波前质量控制的关键。基于闭环预校正实验数据,利用神光II升级装置波前传输模型计算动态波前预校正偏差,获得更为准确的变形镜校正面形;再利用基于驱动器位置相位校正的变形镜控制算法修正变形镜的驱动电压,可提高动态波前预校正的准确性,降低激光装置大能量发射实验时输出光束的波前残余像差。在神光II升级激光装置上采用该技术获得了比传统的基于闭环预校正的波前控制技术更好的波前控制效果,使得大能量激光发射实验中光束顺利过孔,保障了装置的安全运行,并且明显改善了输出光束的波前质量,提高了大能量激光发射实验的成功率。