高功率激光器前端系統(tǒng)啁啾脈沖堆積技術(shù)的研究.pdf

1、本論文的研究工作是在863—804重大專項(xiàng)《前端系統(tǒng)總體技術(shù)研究》的子課題《前端系統(tǒng)計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)技術(shù)研究》和國家自然科學(xué)基金《高功率啁啾脈沖在單模光纖中的非線性傳輸特性研究》等項(xiàng)目的資助下完成的。 基于啁啾脈沖堆積技術(shù)的新型高功率激光器前端系統(tǒng)是我國為研究慣性約束核聚變而開發(fā)的新一代高功率激光器系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是向后繼系統(tǒng)提供數(shù)個(gè)已整形、具有一定能量(mJ量級(jí))、一定帶寬、高信噪比和高光束質(zhì)量的激光脈沖。本文系統(tǒng)

2、地研究了啁啾脈沖堆積技術(shù)中可能存在的物理和工程問題，如啁啾脈沖堆積的時(shí)間起伏、光譜特性和穩(wěn)定性等，為前端系統(tǒng)的研制提供理論依據(jù)；完善了前端系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模擬軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了與后端系統(tǒng)模擬軟件平臺(tái)的對(duì)接；此外，從理論上提出了一種新型方波發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)方案，本方案對(duì)啁啾脈沖堆積技術(shù)具有重要的參考價(jià)值。 本論文主要的研究工作和成果如下： 1.通過譜分析方法對(duì)線性啁啾高斯脈沖堆積技術(shù)中存在的強(qiáng)度起伏問題進(jìn)行了詳細(xì)的研究。線性啁啾高斯

3、脈沖堆積技術(shù)中堆積脈沖不可避免存在有強(qiáng)度起伏。我們對(duì)于線性啁啾高斯脈沖堆積技術(shù)中堆積脈沖的強(qiáng)度起伏頻率進(jìn)行了分析。對(duì)于多個(gè)等幅度線性啁啾高斯脈沖等延遲疊加的情況，堆積脈沖的強(qiáng)度起伏頻率呈以一個(gè)基頻和多個(gè)高階頻率組成的多個(gè)邊帶的結(jié)構(gòu)。由于幅度的交疊部分過少，堆積脈沖的強(qiáng)度譜中極高階頻率處的起伏很小。堆積脈沖的時(shí)間起伏頻率隨原脈沖啁啾系數(shù)和時(shí)間延遲的增加而增大，隨原脈沖的脈寬的增加而減小。 2.系統(tǒng)分析了線性啁啾高斯脈沖堆積過程中堆

4、積脈沖的光譜特性，指出堆積脈沖的光譜中存在有調(diào)制結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)討論了調(diào)制結(jié)構(gòu)的頻率特性。堆積脈沖光譜調(diào)制頻率的分析結(jié)論在實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。根據(jù)我們的光譜分析，堆積脈沖的時(shí)間起伏無法通過幅度濾波器進(jìn)行濾除。 3.分析了線性啁啾高斯脈沖堆積中堆積脈沖的高頻起伏對(duì)激光與等離子體相互作用的影響，并首次對(duì)線性啁啾高斯脈沖堆積和無啁啾高斯脈沖堆積的受環(huán)境擾動(dòng)的穩(wěn)定性從單路時(shí)延擾動(dòng)和整體時(shí)延擾動(dòng)兩方面進(jìn)行了深入的討論，指出當(dāng)堆積子脈沖的時(shí)間延遲

5、有擾動(dòng)時(shí)，啁啾脈沖堆積經(jīng)過接收器接收后相對(duì)無啁啾脈沖堆積更加穩(wěn)定。 4.方波脈沖發(fā)生器是解決啁啾脈沖堆積中相干噪聲問題的有效手段。提出了一種基于非線性光纖放大環(huán)形鏡的8字腔方波發(fā)生器，并對(duì)輸出脈沖的功率和脈寬進(jìn)行詳細(xì)分析。8字腔方波發(fā)生器的輸出脈沖的功率和脈寬具有一定的調(diào)諧特性，給出了該發(fā)生器中各器件的具體設(shè)計(jì)參數(shù)。方波脈沖發(fā)生器的研制對(duì)于解決啁啾脈沖堆積的不穩(wěn)定性具有重要的意義。 5.針對(duì)前端系統(tǒng)以及啁啾脈沖堆積過程中

6、的物理和工程問題研究，我們編寫了高功率激光器前端系統(tǒng)模擬軟件，該模擬軟件直觀地給出給個(gè)位置的實(shí)時(shí)信噪比、波形、光譜等信息，不僅為前端系統(tǒng)各個(gè)部件的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)，而且對(duì)前端系統(tǒng)運(yùn)行中的各部件給出安全工作預(yù)警，保證高功率激光器前端系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。此外，本軟件可以實(shí)現(xiàn)與后端系統(tǒng)模擬平臺(tái)的對(duì)接，對(duì)于研究慣性約束核聚變具有重要的意義。 本論文的創(chuàng)新點(diǎn)主要包括： 1.對(duì)啁啾脈沖堆積技術(shù)中堆積脈沖的時(shí)間起伏和光譜特性進(jìn)行深入的理論

7、分析，并在譜分析的基礎(chǔ)上，分析了堆積脈沖經(jīng)過幅度濾波后的起伏變化，對(duì)指導(dǎo)前端系統(tǒng)的研制起到重要作用。 2.詳細(xì)分析了激光等離子體相互作用過程中啁啾脈沖堆積技術(shù)的穩(wěn)定性，通過分析指出啁啾脈沖堆積相對(duì)無啁啾脈沖堆積穩(wěn)定。對(duì)開展基于啁啾脈沖堆積技術(shù)的前端系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)提供理論依據(jù)。 3.理論上提出一種基于非線性光纖放大環(huán)形鏡的新型8字腔方波發(fā)生器，對(duì)于啁啾脈沖堆積方案的實(shí)現(xiàn)具有重要的參考價(jià)值。 4.開發(fā)出新型高功率激光器前