采用OPCPA技術(shù)提高高功率飛秒激光對比度研究.pdf

1、對比度是高強度飛秒激光的重要參數(shù)之一，它是限制高強度飛秒激光在強場物理、聚變能和高次諧波產(chǎn)生等領(lǐng)域進一步應用的瓶頸。 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，具有極高的增益系數(shù)、很寬的增益帶寬、弱的熱效應、高的轉(zhuǎn)換效率和增益的時間選擇性強等特點。采用該技術(shù)能獲得高強度高對比度飛秒激光輸出，但還有很多的關(guān)鍵技術(shù)問題需要突破。目前，采用OPCPA技術(shù)代替再生放大器是獲得高

2、對比度、高強度飛秒激光的較優(yōu)選擇。研究這類激光系統(tǒng)的對比度有很重要的現(xiàn)實意義。 本文分析了三階非線性克爾效應和色散對飛秒激光的時空特性和對比度的影響。研究了運行在大增益區(qū)的OPCPA激光器的性能，分析了同步抖動對OPCPA輸出飛秒脈沖的影響，以及采用長脈沖泵浦(比信號光脈沖長)的方式對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)進行了詳細的理論研究，提出了采用多個超短脈沖疊加器來形成窄帶、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、利用大啁啾信號光的頻譜在時域內(nèi)的分布特點，采用寬帶數(shù)值計算模型，并對大增益情況下的三波耦合方程進行了詳細的研究。研究結(jié)果表明，因信號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振蕩結(jié)構(gòu)，在第一個極值點為其最大的轉(zhuǎn)換率；系統(tǒng)進入深度增益飽和狀態(tài)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性大大優(yōu)于小信號增益狀態(tài)，但系統(tǒng)的對比度明顯變差，預脈沖顯著增大。因此，對不同應用類型的

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

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

6、和信號光功率可使輸出脈沖寬度達到最小。 2.3信號光與泵浦光的時間同步抖動對信號光的光譜、位相、強度等參量的影響。同步抖動造成了信號光光譜抖動(光譜紅移或光譜藍移)、B積分抖動、輸出光的強度抖動，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和輸出飛秒脈沖的時間對比度。 2.4研究了采用長泵浦光方式克服同步抖動對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、B積分抖動、強度抖動，也能提高飛秒脈沖的對比度，但是系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率將成倍的降低

7、。該方法過低的轉(zhuǎn)換效率限制了它在以全光參量放大獲得PW輸出系統(tǒng)中的進一步應用。 3、研究了Kerr。效應聚焦光束的遠場特性及空間對比度的影響。結(jié)果表明，Kerr效應會降低高斯光束的聚焦能力、聚焦光束的峰值光強和光束的空間對比度，并使旁瓣展寬。對超高斯光束和高斯光束的聚焦特性的對比分析表明，采用超高斯光束，擴大光束的口徑，能大大提高聚焦光束的對比度，并有效的降低旁瓣的寬度。采用光束傳輸M<'2>因子評價了Kerr效應對高功率光束的

8、影響，可以通過非線性兩端補償?shù)姆绞絹斫档蚄err·效應，以提高光束的M<'2>因子。 4、針對光直接同步方案的關(guān)鍵難點——泵浦光的成形技術(shù)，提出了解決方案——多個超短脈沖疊加器。該疊加器從再生放大器中發(fā)展而來。多個超短脈沖疊加器利用光譜增益窄化效應和標準具的濾波作用，將諧振腔內(nèi)的寬光譜脈沖窄化為窄光譜脈沖，實現(xiàn)多個飛秒脈沖的疊加。對該疊加器中光學元件對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元件的參數(shù)，能夠?qū)⒍鄠€超