高功率超短脉冲激光系统中光束传输技术研究

自飞秒脉冲激光出现以来的近三十年中，飞秒激光技术得到巨大的发展。尤其是近十多年来，啁啾脉冲放大技术(CPA，Chirped Pulse Amplification)和克尔透镜锁模技术的出现，为高功率短脉冲激光的发展提供了坚实的基础。由于飞秒脉冲激光的发展，超短超强激光技术为研究光与物质相互作用开辟了广阔的空间，超高功率、超高强度激光装置是开展“快点火”激光聚变、探索极端条件下物质行为等重大科学研究的基本手段。因此，世界各国都相继建立了自己的高功率超短脉冲激光装置。同样，我们也需要发展飞秒激光技术，用于建造高功率飞秒装置。针对发展用于建造高功率超短脉冲激光装置的飞秒激光技术的目的，在指导老师的悉心指导下，作者对高功率短脉冲激光装置激光传输方面的若干关键技术进行了系统和深入的研究，取得了若干重要的结果。 本文首先回顾了超短脉冲激光技术发展的历史，分析了目前飞秒激光的现状，并且讨论了建立高功率短脉冲激光装置的关键技术。 论文的主体部分介绍了作者主要的研究工作和结果。主要有以下几部分： 一．用于大口径超短脉冲激光装置的空间滤波器的设计。 空间滤波器是高功率激光装置中必不可少的的关键器件，在系统中起着扩束、像传输和滤波等重要的作用。用于纳秒量级长脉冲激光系统(如“神光Ⅱ”装置)的空间滤波器技术已经成熟，然而，在超短脉冲激光系统中，受介质中光束群速度和相速度不一致的影响，激光脉冲波前(脉冲振幅包络面)和激光相位波前(等位相面)之间存在着显著的时间延迟(PTD效应，propagation time delay)，对于传统的透镜系统，由于径向厚度不同，PTD效应将会造成脉冲时间波前和激光位相波前之间的径向不均匀延迟，严重影响激光脉冲的宽度和质量。脉冲宽度越短和光束口径越大透镜的PTD问题将更为严重。因此，传统的空间滤波器技术已经不能满足大口径超短脉冲激光系统的要求。在设计和研制大口径的CPA空间滤波器时，必须考虑时间域的因素或PTD问题。尽管对PTD问题的研究已经开展了多年，但至今国内外在超短脉冲激光领域这个问题尚未引起足够的重视。我们对此作了系统而完整的研究，并取得了重要结果，这是本文的一个主要创新之互互处。 我们知道，介质的色散是PTD效应的物理来源，因此可以用消色差的双胶合透镜或反射镜消除或大幅减弱PTD效应。但是，对于实际的装置，这两种最直观的方案在工程上不适用：反射系统引入的像散会影响光束滤波效率，而且使得空间滤波器的结构复杂调整困难：双胶合透镜组则存在破坏的隐患。我们创新地提出了采用分离式透镜组来解诀空间滤波器的PTD问题，并且完成了其设计理论，基本设计准则：（）以尽量少的透镜数目满足工程建造要求，（2）聚焦系统具有足够的焦深便于滤波。通过理论分析和数值计算，我们证明了采用这种透镜系统的空间滤波器可以用于大口径CPA激光系统，解诀时间域的PTD效应，同时又具有很好的光束空间域的扩束，像传递及空间滤波的功能。 二．应用于超高功率飞秒激光器中的锯齿光阑截趾法。 在传统的长脉冲高功率激光器中，为了充分利用增益介质的储能，同时抑制光束的菲涅耳衍射调制以及由衍射调制产生的小尺度自聚焦，光束须要整形为填充因子较高、受衍射效应影响较小的平顶超高斯光束，典型方法是利用锯齿光阑与空间滤波器对光束进行整形。同样，建立超高功率飞秒激光系统，也须要将光束整形为平顶超高斯光束。由于飞秒激光宽光谱的特性，其衍射行为将在本质上不同于纳秒长脉冲激光。因此，尝试将适用于长脉冲系统的锯齿光阑截趾法移植到超高功率大日径飞秒激光系统中，有必要进行具体的研究和分析，讨论其可行性。对于超短脉冲激光传输过程中的衍射特性的研究早有文章报道，但是针对在高能超短脉冲激光器上应用的此类研究还没有报导过。 作者针对这个方向，对单色激光与超短脉冲激光衍射的特性以及锯齿光阑截趾在单色激光和超短脉冲激光器上的应用进行了比较，并就超短脉冲激光锯齿光阑截趾的特性进行了理论上的分析和计算。在理论椎导超短脉冲激光锯齿光阑截趾的特性后，我们通过计算机编程对超短脉冲激光在各种情况下（不同脉冲宽度，经过截趾系统与否，截趾系统有无空间滤波器滤波等）的衍射分布进行了数值模拟计算。长脉冲系统的整形数值模拟，是一个三维的问题（脉冲激光横截面X和y方向分布和脉冲激光传输方向Z人 计算量己经相当大，过程也相当复杂。对于宽频谱的超短脉冲激光而言，还要考虑频谱对衍射行为的影响，也就是整形的数值模拟计算在原来三维计算的基础上，还要考虑时间这一维，是一个四维的 里兰：胄功苹迟短脉冲戏光庆统中光束传跑执术研兜！11问题，计算量和过程的复杂度较原来长脉冲系统更加大了。最后，我们对数值模拟计算的结果进行了系统的分析，就飞秒量级脉冲截趾系统的规律得出如下结论：长脉冲系统的整形系统移植到飞秒脉冲系统中是可行的；皮秒量级以上的脉冲激光衍射行为和长脉冲及单色激光的衍射行为相