采用OPCPA技術(shù)提高高功率飛秒激光對(duì)比度研究.pdf

1、對(duì)比度是高強(qiáng)度飛秒激光的重要參數(shù)之一，它是限制高強(qiáng)度飛秒激光在強(qiáng)場(chǎng)物理、聚變能和高次諧波產(chǎn)生等領(lǐng)域進(jìn)一步應(yīng)用的瓶頸。 光參量啁啾脈沖放大(OPCPA)技術(shù)結(jié)合了光參量放大(OPA)技術(shù)和啁啾脈沖放大(CPA)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，具有極高的增益系數(shù)、很寬的增益帶寬、弱的熱效應(yīng)、高的轉(zhuǎn)換效率和增益的時(shí)間選擇性強(qiáng)等特點(diǎn)。采用該技術(shù)能獲得高強(qiáng)度高對(duì)比度飛秒激光輸出，但還有很多的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題需要突破。目前，采用OPCPA技術(shù)代替再生放大器是獲得高

2、對(duì)比度、高強(qiáng)度飛秒激光的較優(yōu)選擇。研究這類激光系統(tǒng)的對(duì)比度有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。 本文分析了三階非線性克爾效應(yīng)和色散對(duì)飛秒激光的時(shí)空特性和對(duì)比度的影響。研究了運(yùn)行在大增益區(qū)的OPCPA激光器的性能，分析了同步抖動(dòng)對(duì)OPCPA輸出飛秒脈沖的影響，以及采用長(zhǎng)脈沖泵浦(比信號(hào)光脈沖長(zhǎng))的方式對(duì)輸出飛秒脈沖特性的影響，在此基礎(chǔ)上，就光直接同步方式中的關(guān)鍵技術(shù)一一泵浦光成形技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的理論研究，提出了采用多個(gè)超短脈沖疊加器來(lái)形成窄帶、脈

3、沖寬度可調(diào)的平頂泵浦光。主要的研究結(jié)果如下： 1、利用大啁啾信號(hào)光的頻譜在時(shí)域內(nèi)的分布特點(diǎn)，采用寬帶數(shù)值計(jì)算模型，并對(duì)大增益情況下的三波耦合方程進(jìn)行了詳細(xì)的研究。研究結(jié)果表明，因信號(hào)光各部分的位相匹配不同，造成了系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換效率隨三光波的相互作用距離而形成一種有準(zhǔn)振蕩結(jié)構(gòu)，在第一個(gè)極值點(diǎn)為其最大的轉(zhuǎn)換率；系統(tǒng)進(jìn)入深度增益飽和狀態(tài)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性大大優(yōu)于小信號(hào)增益狀態(tài)，但系統(tǒng)的對(duì)比度明顯變差，預(yù)脈沖顯著增大。因此，對(duì)不同應(yīng)用類型的

4、高功率激光系統(tǒng)，需要在其穩(wěn)定性和對(duì)比度的參數(shù)之間作一選擇。 2、研究了幾個(gè)重要因素對(duì)飛秒脈沖時(shí)間對(duì)比度的影響。 2.1自相位調(diào)制效應(yīng)對(duì)飛秒脈沖時(shí)間對(duì)比度的影響。自相位調(diào)制效應(yīng)降低飛秒脈沖(壓縮)的峰值強(qiáng)度和對(duì)比度，增大了預(yù)脈沖寬度。實(shí)際高功率飛秒激光系統(tǒng)中可能存在振幅調(diào)制和位相擾動(dòng)的影響，振幅調(diào)制和位相擾動(dòng)函數(shù)的調(diào)制深度越大，壓縮光脈沖的對(duì)比度的越??；調(diào)制周期越大，預(yù)脈沖越寬。這為采用光譜整形提高飛秒脈

5、沖的對(duì)比度和縮小預(yù)脈沖寬度提供了參考意見。 2.2來(lái)源于光柵對(duì)不平行的色散對(duì)輸出飛秒脈沖時(shí)間波形的影響。對(duì)光柵對(duì)表面不平行和光柵刻線不平行這兩類光柵對(duì)失配的情況對(duì)比分析表明，光柵對(duì)表面不平行降低飛秒脈沖的峰值強(qiáng)度，脈沖有明顯的預(yù)脈沖和尾脈沖(post-pulse)，降低了系統(tǒng)對(duì)比度，飛秒脈沖變寬和預(yù)脈沖變寬；光柵表面不平行比光柵刻線不平行對(duì)飛秒脈沖的峰值功率、對(duì)比度和預(yù)脈沖寬度的影響更大。壓縮器光柵完全平行情況下，選擇適當(dāng)泵浦光

6、和信號(hào)光功率可使輸出脈沖寬度達(dá)到最小。 2.3信號(hào)光與泵浦光的時(shí)間同步抖動(dòng)對(duì)信號(hào)光的光譜、位相、強(qiáng)度等參量的影響。同步抖動(dòng)造成了信號(hào)光光譜抖動(dòng)(光譜紅移或光譜藍(lán)移)、B積分抖動(dòng)、輸出光的強(qiáng)度抖動(dòng)，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和輸出飛秒脈沖的時(shí)間對(duì)比度。 2.4研究了采用長(zhǎng)泵浦光方式克服同步抖動(dòng)對(duì)OPCPA系統(tǒng)的影響。結(jié)果表明，該方法能有效的克服光譜抖動(dòng)、B積分抖動(dòng)、強(qiáng)度抖動(dòng)，也能提高飛秒脈沖的對(duì)比度，但是系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率將成倍的降低

7、。該方法過(guò)低的轉(zhuǎn)換效率限制了它在以全光參量放大獲得PW輸出系統(tǒng)中的進(jìn)一步應(yīng)用。 3、研究了Kerr。效應(yīng)聚焦光束的遠(yuǎn)場(chǎng)特性及空間對(duì)比度的影響。結(jié)果表明，Kerr效應(yīng)會(huì)降低高斯光束的聚焦能力、聚焦光束的峰值光強(qiáng)和光束的空間對(duì)比度，并使旁瓣展寬。對(duì)超高斯光束和高斯光束的聚焦特性的對(duì)比分析表明，采用超高斯光束，擴(kuò)大光束的口徑，能大大提高聚焦光束的對(duì)比度，并有效的降低旁瓣的寬度。采用光束傳輸M<'2>因子評(píng)價(jià)了Kerr效應(yīng)對(duì)高功率光束的

8、影響，可以通過(guò)非線性兩端補(bǔ)償?shù)姆绞絹?lái)降低Kerr·效應(yīng)，以提高光束的M<'2>因子。 4、針對(duì)光直接同步方案的關(guān)鍵難點(diǎn)——泵浦光的成形技術(shù)，提出了解決方案——多個(gè)超短脈沖疊加器。該疊加器從再生放大器中發(fā)展而來(lái)。多個(gè)超短脈沖疊加器利用光譜增益窄化效應(yīng)和標(biāo)準(zhǔn)具的濾波作用，將諧振腔內(nèi)的寬光譜脈沖窄化為窄光譜脈沖，實(shí)現(xiàn)多個(gè)飛秒脈沖的疊加。對(duì)該疊加器中光學(xué)元件對(duì)形成泵浦光脈沖影響的研究結(jié)果表明，精確控制疊加器中光學(xué)元件的參數(shù)，能夠?qū)⒍鄠€(gè)超