靶場(chǎng)強(qiáng)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(dòng)器靶場(chǎng)系統(tǒng)中的頻率轉(zhuǎn)換及傳輸特性是ICF研究中的一個(gè)重要內(nèi)容，本論文具體針對(duì)這方面的問(wèn)題展開(kāi)了系統(tǒng)的研究，主要內(nèi)容包括： 1)高強(qiáng)度諧波轉(zhuǎn)換物理模型的建立及數(shù)值仿真軟件的開(kāi)發(fā) 建立了較為全面的高強(qiáng)度諧波轉(zhuǎn)換的物理模型，詳細(xì)考慮了近軸衍射、離散效應(yīng)、群速度失配、三階非線(xiàn)性效應(yīng)(自相位調(diào)制和交叉相位調(diào)制效應(yīng))、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(xiě)了

2、相應(yīng)的數(shù)值模擬程序。利用美國(guó)LLNL的理論及實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)該程序進(jìn)行了大量的驗(yàn)證工作，證實(shí)其正確性和可靠性。在此基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了功能較為全面的、具有可視化界面的高強(qiáng)度三倍頻數(shù)值仿真軟件。 該軟件的開(kāi)發(fā)，為諧波轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)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(tái)。將該軟件用于中國(guó)工程物理研究所神光Ⅲ原型裝置2004～2005年的首束達(dá)標(biāo)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，取得了較好的效果。 2)高強(qiáng)度納秒脈沖寬帶激光頻率轉(zhuǎn)換的研究

3、 針對(duì)Ⅰ/Ⅱ/Ⅱ類(lèi)角度失諧匹配方式的晶體級(jí)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(lèi)角度失諧匹配方式的晶體級(jí)聯(lián)三倍頻方案，分析了入射基頻光強(qiáng)度和帶寬以及晶體厚度對(duì)三倍頻轉(zhuǎn)換效率的影響，并對(duì)晶體參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化；分析了采用光譜角色散(ASD)方法實(shí)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(xiàn)的ASD和頻方式，并對(duì)光柵角色散率進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用非共線(xiàn)ASD和頻方式的優(yōu)點(diǎn)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(jiǎn)單。 高強(qiáng)度納秒脈沖寬帶激光是發(fā)展時(shí)間光束勻滑技術(shù)的基礎(chǔ)，同時(shí)，寬帶激光可抑制大口徑激光器件中的有害非線(xiàn)性效應(yīng)、避免大口徑元件的破壞、改善光束的近場(chǎng)均勻性。因此，系統(tǒng)地研究高強(qiáng)度納秒脈沖寬帶激光的頻率轉(zhuǎn)換，對(duì)于ICF的研究具有重要的意義。 3)高強(qiáng)度飛秒脈沖激光頻率轉(zhuǎn)換的理論及實(shí)驗(yàn)研究 對(duì)采用KDP晶體的Ⅰ類(lèi)及Ⅱ類(lèi)角度失諧匹配方式的高強(qiáng)度飛秒脈沖二倍頻過(guò)程進(jìn)行了理論研究。首次在國(guó)

5、內(nèi)針對(duì)脈沖寬度(FWHM)30fs、能量30～150mJ、中心波長(zhǎng)800nm的飛秒脈沖，采用厚度為1mm的KDP晶體進(jìn)行了Ⅰ類(lèi)二倍頻實(shí)驗(yàn)，獲得了10％左右的二倍頻轉(zhuǎn)換效率。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了理論分析，討論了基頻光初始頻率啁啾、光強(qiáng)調(diào)制、位相畸變以及三階非線(xiàn)性效應(yīng)等因素對(duì)二倍頻光轉(zhuǎn)換效率及頻譜寬度的影響。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了飛秒脈沖二倍頻實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)措施。 此外，還對(duì)高強(qiáng)度飛秒脈沖單塊BBO晶體產(chǎn)生三倍頻的過(guò)程進(jìn)行了理論及實(shí)驗(yàn)研究

6、。定量分析比較了單塊晶體中三階非線(xiàn)性效應(yīng)以及級(jí)聯(lián)二階非線(xiàn)性效應(yīng)對(duì)三倍頻轉(zhuǎn)換效率的作用，討論了入射基頻光光強(qiáng)、晶體厚度、非線(xiàn)性相位調(diào)制、群速度失配、失諧角、方位角等因素對(duì)三倍頻光轉(zhuǎn)換效率、時(shí)間波形以及光譜分布的影響。首次在國(guó)內(nèi)針對(duì)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(jìn)行了三倍頻實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度紫外超短激

7、光作為ICF“快點(diǎn)火"的點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)器具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，因此，對(duì)高強(qiáng)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(guò)程的逆問(wèn)題研究 首次提出了解決頻率轉(zhuǎn)換過(guò)程逆問(wèn)題的數(shù)值計(jì)算方法。該算法基于分步傅立葉變換和四階R-K法，通過(guò)迭代計(jì)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(jì)算得到相應(yīng)的輸入基頻光參數(shù)。分別針對(duì)空間光強(qiáng)分布為高斯、超高斯形狀、時(shí)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(shí)間

8、位相調(diào)制及線(xiàn)性頻率啁啾的寬帶三倍頻以及飛秒脈沖二倍頻的逆問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。迭代計(jì)算的效率較高并且結(jié)果較為準(zhǔn)確。 頻率轉(zhuǎn)換過(guò)程逆問(wèn)題數(shù)值計(jì)算方法的提出，為ICF系統(tǒng)頻率轉(zhuǎn)換過(guò)程的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一種新的思路和途徑。 5)靶場(chǎng)系統(tǒng)中的非線(xiàn)性效應(yīng) 研究采用Maxwell-Bloch-Langevin方程來(lái)描述強(qiáng)激光的受激拉曼散射效應(yīng)。針對(duì)強(qiáng)激光在空氣中長(zhǎng)程傳輸時(shí)所產(chǎn)生的受激旋轉(zhuǎn)拉曼散射(SRRS)效應(yīng)，分析了基頻及三倍頻

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

10、自聚焦效應(yīng)的閾值條件定義做了補(bǔ)充。此外，結(jié)合實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的實(shí)際情況，對(duì)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(jìn)行了分析，并提出了避免產(chǎn)生破壞的方法。 對(duì)靶場(chǎng)系統(tǒng)中非線(xiàn)性效應(yīng)的研究，有利于改善三倍頻光光束質(zhì)量、減小高強(qiáng)度激光對(duì)靶場(chǎng)光學(xué)元件的破壞風(fēng)險(xiǎn)，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(duì)光束勻滑方法進(jìn)行了總結(jié)和比較，針對(duì)時(shí)間位相調(diào)制寬帶激光以及啁啾脈沖寬帶激光，對(duì)采用角譜