高功率激光寬帶倍頻技術(shù)研究.pdf

1、大于10nm寬帶激光的高效率諧波轉(zhuǎn)換是激光領(lǐng)域長期沒有得到真正解決的技術(shù)難題，而又是若干重要應(yīng)用領(lǐng)域所迫切需求的。在用于慣性約束聚變的高功率激光驅(qū)動器中，受KDP晶體色散特性的影響，高效二倍頻和三倍頻僅適合于單縱模的窄帶激光。而今后的一個重要發(fā)展趨向是采用寬帶激光傳輸和放大，高效率諧波轉(zhuǎn)換將成為技術(shù)發(fā)展的瓶頸。另一方面，用于高能量密度科學(xué)(如強場物理、極端條件下的凝聚態(tài)物理、高亮度X射線和高能粒子束的產(chǎn)生以及實驗室天體物理等前沿基礎(chǔ)研究

2、)的超強超短脈沖激光器，為進(jìn)一步提高脈沖信噪比等關(guān)鍵性能和適應(yīng)新概念物理實驗需要，也要求對超短脈沖進(jìn)行倍頻。由于超短脈沖的帶寬很寬，難以實現(xiàn)高效率的諧波轉(zhuǎn)換，往往采取減薄晶體的辦法，犧牲效率換取帶寬。因此，寬帶激光的高效率倍頻是一項有重要實際意義的研究課題，并需要有突破常規(guī)的技術(shù)創(chuàng)新去解決難題。 由于大能量的超強激光器多數(shù)采用釹玻璃為放大介質(zhì)，因此1μm波段的高效率寬帶倍頻更為重要，技術(shù)困難也更為突出。本論文提出了以“折返點匹配

3、”原理來解決高效率寬帶倍頻問題的總體方案，在理論上和實驗上系統(tǒng)地研究了低功率和中、高功率下1μm波段寬帶倍頻的特性及可行性，取得了重要的突破。相關(guān)論文在OE、CPL、JQE(修改)等學(xué)術(shù)刊物發(fā)表。 論文的主要內(nèi)容和創(chuàng)新點有： 一.提出了基于“折返點匹配”原理實現(xiàn)大帶寬倍頻的技術(shù)方案，建立了相應(yīng)的理論模型，并進(jìn)行了細(xì)致的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和理論分析，闡明了“折返點匹配”實現(xiàn)高效寬帶倍頻的物理圖像和深層次本質(zhì)，指出“兩個補償”——雙折

4、射補償(位相匹配)與反常色散(群速度)補償是折返點匹配技術(shù)的關(guān)鍵。 二.完成了在1μm波段具有大接受帶寬的非線性光學(xué)晶體的設(shè)計，委托國內(nèi)合作單位按要求首次成功生長出部分氘化KDP晶體，并進(jìn)一步探討了通過優(yōu)化晶體參數(shù)擴大“折返點匹配”技術(shù)應(yīng)用范圍的可行性。 從大口徑高功率激光系統(tǒng)的工程化應(yīng)用需求，晶體設(shè)計不僅需要考慮材料生長技術(shù)的可行性，而且還要考慮可大尺寸生長和化學(xué)組分穩(wěn)定性。大口徑非線性光學(xué)晶體缺乏選擇性，只能是KDP

5、晶體或具有類似化學(xué)組分的KD*P晶體等，但它們的相位匹配折返波長與釹玻璃增益介質(zhì)的中心波長(1.053μm)并不一致。我們提出以部分氘化KDP晶體作為解決方案，通過氘化率控制，調(diào)整相位匹配折返波長。在我們的設(shè)計中，氘化率為12﹪的1cm長度部分氘化KDP晶體可以支持帶寬大于20nm的高效倍頻轉(zhuǎn)換。 三.詳細(xì)分析了低功率密度泵浦下的“折返點匹配”寬帶倍頻特性，研究了群速色散對倍頻過程的影響，并創(chuàng)新地提出了以泵浦激光脈沖的“時間聚焦

6、”方式來補償群速色散的技術(shù)路線。即通過向入射基頻光引入合適的初始啁啾，對晶體的色散進(jìn)行預(yù)補償，以實現(xiàn)對基頻光脈沖寬度的主動控制，從而提高轉(zhuǎn)換效率。研究表明，通過優(yōu)化初始啁啾量、相位失配量和色散參數(shù)能取得最佳的補償效果?！皶r間聚焦”的補償方式同樣適用于中、高功率下的寬帶倍頻，只是低功率倍頻時晶體厚度較厚，色散補償?shù)男Ч鼮轱@著。 四.研究了中、高功率密度泵浦下的“折返點匹配”寬帶倍頻特性，分析了相位失配引起的逆轉(zhuǎn)換、三階非線性效應(yīng)

7、對轉(zhuǎn)換效率、脈沖形狀和光譜分布的影響及機制。在高功率密度的倍頻中，三階非線性效應(yīng)引起的相位失配是導(dǎo)致能量逆轉(zhuǎn)換、并最終限制入射功率密度和晶體長度的根本原因；自相位和交叉相位調(diào)制引起的非線性相移是導(dǎo)致光譜展寬和光譜調(diào)制的根源。研究結(jié)果表明，初始相位失配與群速失配均能有效地補償三階非線性效應(yīng)，提高轉(zhuǎn)換效率，改善脈沖形狀和光譜分布?；谶@些研究結(jié)果，論文討論了倍頻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的依據(jù)。 五.實驗演示了1μm波段高效寬帶倍頻。利用設(shè)計的部