靶場強激光頻率變換及傳輸特性研究.pdf

1、寬帶激光在慣性約束聚變(ICF)激光驅(qū)動器靶場系統(tǒng)中的頻率轉(zhuǎn)換及傳輸特性是ICF研究中的一個重要內(nèi)容，本論文具體針對這方面的問題展開了系統(tǒng)的研究，主要內(nèi)容包括： 1)高強度諧波轉(zhuǎn)換物理模型的建立及數(shù)值仿真軟件的開發(fā) 建立了較為全面的高強度諧波轉(zhuǎn)換的物理模型，詳細考慮了近軸衍射、離散效應、群速度失配、三階非線性效應(自相位調(diào)制和交叉相位調(diào)制效應)、入射基頻光的振幅和位相變化、晶體吸收和表面反射等在內(nèi)的諸多因素的影響，編寫了

2、相應的數(shù)值模擬程序。利用美國LLNL的理論及實驗結(jié)果對該程序進行了大量的驗證工作，證實其正確性和可靠性。在此基礎上，開發(fā)了功能較為全面的、具有可視化界面的高強度三倍頻數(shù)值仿真軟件。 該軟件的開發(fā)，為諧波轉(zhuǎn)換實驗結(jié)果的分析以及諧波轉(zhuǎn)換方案的優(yōu)化提供了便捷、可靠的模擬平臺。將該軟件用于中國工程物理研究所神光Ⅲ原型裝置2004～2005年的首束達標實驗結(jié)果的分析，取得了較好的效果。 2)高強度納秒脈沖寬帶激光頻率轉(zhuǎn)換的研究

3、 針對Ⅰ/Ⅱ/Ⅱ類角度失諧匹配方式的晶體級聯(lián)三倍頻，分析了影響三倍頻光譜及轉(zhuǎn)換效率的因素；提出了一種新的采用Ⅰ/Ⅱ/Ⅰ類角度失諧匹配方式的晶體級聯(lián)三倍頻方案，分析了入射基頻光強度和帶寬以及晶體厚度對三倍頻轉(zhuǎn)換效率的影響，并對晶體參數(shù)進行了優(yōu)化；分析了采用光譜角色散(ASD)方法實現(xiàn)寬帶倍頻的原理，指出了傳統(tǒng)的ASD方式的局限性，提出了非共線的ASD和頻方式，并對光柵角色散率進行了優(yōu)化設計。采用非共線ASD和頻方式的優(yōu)點在于適用帶寬范

4、圍大、三倍頻轉(zhuǎn)換效率較高并且方案簡單。 高強度納秒脈沖寬帶激光是發(fā)展時間光束勻滑技術(shù)的基礎，同時，寬帶激光可抑制大口徑激光器件中的有害非線性效應、避免大口徑元件的破壞、改善光束的近場均勻性。因此，系統(tǒng)地研究高強度納秒脈沖寬帶激光的頻率轉(zhuǎn)換，對于ICF的研究具有重要的意義。 3)高強度飛秒脈沖激光頻率轉(zhuǎn)換的理論及實驗研究 對采用KDP晶體的Ⅰ類及Ⅱ類角度失諧匹配方式的高強度飛秒脈沖二倍頻過程進行了理論研究。首次在國

5、內(nèi)針對脈沖寬度(FWHM)30fs、能量30～150mJ、中心波長800nm的飛秒脈沖，采用厚度為1mm的KDP晶體進行了Ⅰ類二倍頻實驗，獲得了10％左右的二倍頻轉(zhuǎn)換效率。對實驗結(jié)果進行了理論分析，討論了基頻光初始頻率啁啾、光強調(diào)制、位相畸變以及三階非線性效應等因素對二倍頻光轉(zhuǎn)換效率及頻譜寬度的影響。在此基礎上，進一步提出了飛秒脈沖二倍頻實驗的改進措施。 此外，還對高強度飛秒脈沖單塊BBO晶體產(chǎn)生三倍頻的過程進行了理論及實驗研究

6、。定量分析比較了單塊晶體中三階非線性效應以及級聯(lián)二階非線性效應對三倍頻轉(zhuǎn)換效率的作用，討論了入射基頻光光強、晶體厚度、非線性相位調(diào)制、群速度失配、失諧角、方位角等因素對三倍頻光轉(zhuǎn)換效率、時間波形以及光譜分布的影響。首次在國內(nèi)針對脈沖寬度100fs、帶寬25nm、能量為6mJ左右的超短脈沖基頻光，采用單塊BBO晶體進行了三倍頻實驗研究，獲得了接近1％的三倍頻轉(zhuǎn)換效率。 由于超短脈沖紫外光不僅可作為探針光使用，而且，高強度紫外超短激

7、光作為ICF“快點火"的點火驅(qū)動器具有獨特優(yōu)勢，因此，對高強度飛秒脈沖激光頻率轉(zhuǎn)換的研究具有重要意義。 4)頻率轉(zhuǎn)換過程的逆問題研究 首次提出了解決頻率轉(zhuǎn)換過程逆問題的數(shù)值計算方法。該算法基于分步傅立葉變換和四階R-K法，通過迭代計算，可在已知輸出三倍頻光以及諧波轉(zhuǎn)換器參數(shù)的情況下，計算得到相應的輸入基頻光參數(shù)。分別針對空間光強分布為高斯、超高斯形狀、時間分布為整形脈沖的平面波、有一定空間位相調(diào)制的窄帶三倍頻、有一定時間

8、位相調(diào)制及線性頻率啁啾的寬帶三倍頻以及飛秒脈沖二倍頻的逆問題進行了數(shù)值計算。迭代計算的效率較高并且結(jié)果較為準確。 頻率轉(zhuǎn)換過程逆問題數(shù)值計算方法的提出，為ICF系統(tǒng)頻率轉(zhuǎn)換過程的優(yōu)化設計提供一種新的思路和途徑。 5)靶場系統(tǒng)中的非線性效應 研究采用Maxwell-Bloch-Langevin方程來描述強激光的受激拉曼散射效應。針對強激光在空氣中長程傳輸時所產(chǎn)生的受激旋轉(zhuǎn)拉曼散射(SRRS)效應，分析了基頻及三倍頻

9、泵浦光的光強調(diào)制、位相調(diào)制以及帶寬等因素對閾值條件及光束質(zhì)量的影響，提出了抑制SRRS效應的方法。同時，針對大口徑KDP晶體中三倍頻光的橫向受激拉曼散射(TSRS)效應，分別討論了短脈沖(1ns)及長脈沖(3ns)條件下，泵浦光光強、增益系數(shù)及帶寬對斯托克斯光轉(zhuǎn)換的影響。 運用修正的非線性薛定諤方程，針對熔石英介質(zhì)中強紫外激光自聚焦的強弱、位置與強紫外激光光強調(diào)制和位相畸變的關(guān)系開展了定量分析，對熔石英介質(zhì)中強紫外激光產(chǎn)生非線性

10、自聚焦效應的閾值條件定義做了補充。此外，結(jié)合實驗過程中的實際情況，對靶室的石英窗口及打靶的聚焦透鏡出現(xiàn)的破壞現(xiàn)象，采用自聚焦原理進行了分析，并提出了避免產(chǎn)生破壞的方法。 對靶場系統(tǒng)中非線性效應的研究，有利于改善三倍頻光光束質(zhì)量、減小高強度激光對靶場光學元件的破壞風險，具有重要的意義。 6)寬帶倍頻光的光束勻滑及聚焦特性的研究 對光束勻滑方法進行了總結(jié)和比較，針對時間位相調(diào)制寬帶激光以及啁啾脈沖寬帶激光，對采用角譜