寬帶高功率激光系統(tǒng)總體與關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、高能量密度科學(xué)(HEDS)是當今前沿科學(xué)領(lǐng)域極具前瞻性、基礎(chǔ)性的研究方向，主要包括激光驅(qū)動慣性約束聚變、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。而高功率超強激光系統(tǒng)則是最重要的研究工具，其自身也是一項綜合性的重大科學(xué)工程。由于HEDS需求的多樣性和不確定性，要求高功率激光驅(qū)動源具備多參數(shù)、大跨度的調(diào)節(jié)能力，多功能兼容以及靈活的適應(yīng)能力。如何應(yīng)對這一嚴峻的挑戰(zhàn)，正是本論文研究的主要任務(wù)。

2、 本論文在吸取前人研究成果基礎(chǔ)上，首次提出并論證了以“全系統(tǒng)寬頻帶激光技術(shù)”為核心的總體技術(shù)路線，該技術(shù)方案有望集高能量、多脈寬、多波長等功能于一體，實現(xiàn)系統(tǒng)靈活地切換或組合配置，最大限度地滿足物理應(yīng)用的多種需求。在理論上和實驗上研究了相關(guān)的創(chuàng)新性關(guān)鍵技術(shù)，包括1微米波段寬帶飛秒光源的產(chǎn)生和寬帶啁啾脈沖的高能量放大等，取得具有先進水平的實質(zhì)性進展。在0L、CPL、SPIE等刊物發(fā)表(含已接受)論文八篇。 本論文主要內(nèi)容和創(chuàng)新

3、點如下： 1．首次提出基于“全系統(tǒng)寬頻帶技術(shù)”為核心的總體技術(shù)路線，構(gòu)建新型高功率激光系統(tǒng)，兼容高能量、多脈寬(fs、ps、ns)和多波長等功能，有效地滿足高能量密度科學(xué)的發(fā)展需求 根據(jù)高能量密度科學(xué)(HEDS)對高功率激光驅(qū)動器的需求，分析了現(xiàn)有三類高強度固體激光系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀、存在的不足和亟待改進的問題，預(yù)測未來驅(qū)動器可能走向“相互融合、三超聚一”的發(fā)展趨勢，提出了基于寬帶激光產(chǎn)生、傳輸、放大、倍頻和光束控制為核心的

4、總體技術(shù)路線，在同一裝置上實現(xiàn)“零同步”輸出高能量的飛秒級、皮秒級和納秒級三類激光脈沖。這一新型多功能高功率激光系統(tǒng)簡稱為“Hi-FPN激光系統(tǒng)”。其中，F(xiàn)系指輸出激光脈沖寬度為百飛秒(啁啾脈沖完全壓縮)、P指皮秒(啁啾脈沖部分壓縮)、N指納秒(啁啾脈沖不壓縮)，m指所有三檔脈沖均有千焦耳級高能量且波長可高效率倍頻轉(zhuǎn)換。詳細研究了Hi-FPN激光系統(tǒng)中脈沖能量轉(zhuǎn)換、寬帶光束控制等科學(xué)基礎(chǔ)問題，確定了系統(tǒng)的總體構(gòu)成，分析了主要關(guān)鍵技術(shù)，提

5、出了創(chuàng)新性的技術(shù)方案和思路。研究結(jié)果表明，盡管還有若干具體技術(shù)難題有待解決，但Hi-FPN概念的提出和具體化，為未來高功率激光驅(qū)動器在總體技術(shù)路線方面的創(chuàng)新發(fā)展奠定了可行的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)。 2．創(chuàng)新性地提出產(chǎn)生1微米波段寬帶超短脈沖激光的“超連續(xù)譜注入+飛秒?yún)⒘糠糯蟆奔夹g(shù)方案，完成理論與實驗研究，取得國際上同類研究的最好結(jié)果，為Hi-FPN激光系統(tǒng)提供了高性能的種子光源。相關(guān)論文在0L、C孔等刊物上發(fā)表，得到評閱人的好評。

6、 Hi-FPN激光系統(tǒng)要獲得高能量激光輸出，現(xiàn)階段還必需借助于磷酸鹽釹玻璃作為激光放大系統(tǒng)的增益介質(zhì)。為此，系統(tǒng)前級“種子”光源必需具有匹配的波長，即1．053μm。而產(chǎn)生1微米波段的寬帶超短光源就成為實現(xiàn)Hi-FPN激光系統(tǒng)最為重要的關(guān)鍵技術(shù)之一。盡管已有多種可能的方案，但還不能完全滿足應(yīng)用要求。論文提出的新型技術(shù)方案中，利用商品級成熟的高功率鈦寶石飛秒激光(800nm)作為光參量放大(0PA)的泵浦源，同時由其誘導(dǎo)產(chǎn)生的時間上零抖動

7、的超連續(xù)譜為OPA的注入源，經(jīng)過高增益飛秒?yún)⒘糠糯?，可獲得高能量、高質(zhì)量、大帶寬的1．053μm飛秒激光。對這一方案進行了深入的理論研究、技術(shù)攻關(guān)和判斷實驗，證實了這一創(chuàng)新方案的可行性。初步實驗結(jié)果獲得了大于4mJ脈沖能量、短于100飛秒脈寬和高光束質(zhì)量的信號光，這是目前國際上l微米波段飛秒光參量放大的最大輸出能量和最好指標。進一步優(yōu)化實驗條件，還可以達到更好更高的性能。為發(fā)展Hi-FPN激光系統(tǒng)打下了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。 3．總結(jié)

8、前人研究成果，歸納提煉出完整的放大動力學(xué)理論框架，確立適用于不同帶寬層次的放大方程組。針對啁啾脈沖類型的1微米波段寬帶激光，具體進行了數(shù)值模似和實驗研究，獲得目前國內(nèi)最高能量的百焦耳級寬帶啁啾脈沖，初步演示了新型總體技術(shù)的可行性。 首先將激光脈沖的帶寬區(qū)分為“窄帶”、“準寬帶”、“寬帶”、“大寬帶”和“極寬帶”五個層次。吸取前人研究成果，歸納提煉出較為完整的放大動力學(xué)理論框架，即精確理論模型(或標準理論模型)、實用理論模型和簡化

9、理論模型。對不同帶寬層次、不同譜線加寬及能級弛豫機制，確立了相應(yīng)近似度的放大方程組。 針對磷酸鹽釹玻璃放大系統(tǒng)，對1微米波段的啁啾脈沖型寬帶激光，具體進行了數(shù)值模擬和實驗研究。建立了時間一光譜實時測量系統(tǒng)，同時測量啁啾脈沖的光譜、脈寬及啁啾時空特性。實驗結(jié)果基本校驗了理論計算的準確性，并獲得目前國內(nèi)最高能量的百焦耳級寬帶啁啾脈沖。 為獲得大帶寬、大能量、百飛秒激光脈沖，需充分利用釹玻璃的增益線寬(約20nm)。提出了三種

10、光譜整形方案，用以補償增益窄化效應(yīng)，實驗研究在進行中。 產(chǎn)生1微米波段飛秒寬帶光源和啁啾脈沖寬帶放大的實驗結(jié)果，初步演示了新型總體技術(shù)的可行性。 本論文研究的新型寬帶高功率激光系統(tǒng)總體和關(guān)鍵技術(shù)，具有創(chuàng)新技術(shù)初期所共有的不成熟性、風(fēng)險性和非共識性，國際上也尚無成功先例。論文雖已取得若干前期探索的研究成果，但在理論上和實驗驗證上都還有不小差距，一些重要的物理問題，如非線性自聚焦效應(yīng)、色散效應(yīng)、高效寬帶倍頻和脈沖壓縮等，本論