激光寬帶抑制光束自然聚焦效應(yīng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、自聚焦是非線性光學(xué)中最常見最基本的物理問題之一，從上世紀(jì)六十年代起，自聚焦就一直是非線性光學(xué)領(lǐng)域熱門的研究課題。
　　 從實(shí)踐的角度來(lái)看，自聚焦效應(yīng)限制了允許通過介質(zhì)的光功率，因?yàn)樽跃劢雇ǔ?huì)導(dǎo)致光學(xué)介質(zhì)的損傷。在高功率固體激光裝置中，自聚焦特別是小尺度自聚焦一直是設(shè)計(jì)高功率激光系統(tǒng)的限制因素。用于慣性約束核聚變(InertialConfinement Fusion，簡(jiǎn)稱ICF)的激光驅(qū)動(dòng)器，是高功率固體激光裝置最典型的應(yīng)用，而

2、慣性約束聚變點(diǎn)火工程是《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》的十六項(xiàng)重大專項(xiàng)之一。對(duì)用于ICF驅(qū)動(dòng)的高功率固體激光系統(tǒng)而言，高能量、高效率和高光束質(zhì)量的輸出是實(shí)現(xiàn)靶丸快點(diǎn)火必需的要求和目標(biāo)，而小尺度自聚焦引發(fā)的高功率激光多路成絲效應(yīng)是限制固體玻璃激光器提高能量的主要因素。例如，美國(guó)勞侖斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)就在其激光運(yùn)行報(bào)告中指出，小尺度自聚焦一直是用于ICF的激光驅(qū)動(dòng)器總體設(shè)計(jì)、工程研制和安全運(yùn)行的重大科學(xué)問題。
　　

3、從上世紀(jì)七十年代起，大量的研究人員對(duì)由小尺度自聚焦所導(dǎo)致的光束分裂成絲產(chǎn)生了濃厚的興趣。因?yàn)?，高能量、高效率和高光束質(zhì)量的輸出，是用于ICF驅(qū)動(dòng)器的高功率固體激光系統(tǒng)的要求和目標(biāo)，而小尺度自聚焦是限制固體玻璃激光器提高能量的主要因素。
　　 為突破自聚焦效應(yīng)對(duì)高功率固體激光系統(tǒng)輸出能力的限制，尋找和提出有效的抑制方法，一直以來(lái)都是高功率激光技術(shù)領(lǐng)域的重要研究方向。從某種意義上說高功率固體激光系統(tǒng)的發(fā)展過程，主要是解決自聚焦特別是

4、小尺度自聚焦問題的過程。小尺度自聚焦的根源是激光束振幅和相位的不規(guī)則分布，所以提高光束質(zhì)量改善光束空間分布的均勻性一直是抑制小尺度自聚焦的主要方法和措施。包括空間濾波器、軟邊光闌、以及提高光學(xué)元件的制備精度等方法都是改善光束質(zhì)量抑制小尺度自聚焦的常用方法。近年來(lái)，人們又陸續(xù)提出了一些新的抑制小尺度自聚焦的方法，包括利用發(fā)散光束、部分相干光和寬帶激光等。
　　 寬帶激光被認(rèn)為是用于突破由小尺度自聚焦效應(yīng)引起的高功率固體激光系統(tǒng)的功

5、率輸出瓶頸的可能的技術(shù)路線。與單縱模的窄帶激光相比，帶寬的引入為激光的傳輸和控制提供了額外的自由度，這意味著隨帶寬引入的色散效應(yīng)打破原本以衍射效應(yīng)和非線性效應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)的傳輸狀態(tài)，使得色散與衍射一起與以小尺度自聚焦為主導(dǎo)的非線性效應(yīng)形成競(jìng)爭(zhēng)。因而，帶寬的引入為抑制小尺度自聚焦提高光束近場(chǎng)均勻性提供了新的手段和可能性。因此，寬帶激光有利于防止光束近場(chǎng)分布的均勻性因嚴(yán)重的小尺度自聚焦效應(yīng)而出現(xiàn)明顯的下降，從而能夠保證最終產(chǎn)生高能量、高質(zhì)量和高均勻

6、性的三倍頻聚焦光斑，提高靶面輻照的均勻性和靶丸的內(nèi)爆效應(yīng)。
　　 本論文基于高功率固體激光驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中高負(fù)載能量和高光束質(zhì)量的需求，研究了小尺度自聚焦的形成機(jī)制和功率條件，探討了不同類型的寬帶激光在傳輸過程中的對(duì)小尺度自聚焦效應(yīng)的作用規(guī)律，以及寬帶激光自身的各個(gè)參量對(duì)小尺度自聚焦效應(yīng)的抑制條件和抑制規(guī)律，獲得的主要成果如下:
　　 第一、研究了高斯光束發(fā)生小尺度自聚焦效應(yīng)的功率條件。研究發(fā)現(xiàn)，高斯光束發(fā)生小尺度自聚焦效應(yīng)所

7、需的功率值與初始調(diào)制幅度有關(guān)，初始調(diào)制幅度越大，則高斯光束因小尺度自聚焦而分裂成絲所需的功率越小;反之，初始調(diào)制幅度越小則所需的功率越大。
　　 第二、研究了由譜色散勻滑（Smoothing by Spectral Dispersion，簡(jiǎn)稱SSD）裝置產(chǎn)生的具有相位調(diào)制和光譜色散特性的小寬帶脈沖激光（簡(jiǎn)稱譜色散光束）的菲涅耳衍射，以及以衍射場(chǎng)為輸入的小尺度自聚焦現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)，譜色散光束可以用來(lái)改善光束的近場(chǎng)均勻性。選擇合適的

8、SSD裝置的元件參數(shù)可以提高光束質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)小尺度自聚焦的抑制作用。
　　 第三、研究了在寬帶啁啾脈沖激光的小尺度自聚焦過程中，利用帶寬抑制光束小尺度自聚焦效應(yīng)的條件。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于寬帶啁啾脈沖激光而言，帶寬可以在特定條件下用來(lái)抑制高功率激光系統(tǒng)中的小尺度自聚焦效應(yīng)。當(dāng)脈沖寬度一定時(shí)，帶寬越大對(duì)空間小尺度自聚焦的抑制作用越明顯，而當(dāng)帶寬一定時(shí)，脈寬越大帶寬對(duì)小尺度自聚焦的抑制作用越有限;在不同脈寬條件下，對(duì)小尺度自聚焦實(shí)現(xiàn)相

9、同程度的抑制作用，光束必須具有相同的帶寬脈寬比，并且?guī)捗}寬比反映了帶寬對(duì)小尺度自聚焦效應(yīng)的抑制程度，比值越大則抑制作用越明顯。
　　 第四、實(shí)驗(yàn)研究了寬帶啁啾脈沖激光的小尺度自聚焦效應(yīng)，驗(yàn)證了利用帶寬抑制小尺度自聚焦的相關(guān)特性。通過控制調(diào)制場(chǎng)的空間頻率，利用寬帶啁啾脈沖激光正弦調(diào)制的增長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)，證明了與單色平面波條件下的B-T理論相比，寬帶啁啾脈沖激光的增益譜曲線，整體向高頻方向移動(dòng)。另外，針對(duì)寬帶啁啾脈沖激光B積分增長(zhǎng)曲線的實(shí)