高功率固体激光系统中激光空间强度与波前控制技术研究

发布时间：2019-07-17 21:31

【摘要】：高功率激光在国防、天文研究和新能源探索领域发挥着重要作用。许多国家搭建了大型的固体激光装置,如美国的国家点火装置(NIF),罗彻斯特大学的OMEGA EP装置,中国的神光-Ⅲ。大型激光装置的建造与运行中遇到的诸如高通量下光学元件损伤问题等,迫切需要开展相关实验研究。在此背景下,世界上一批中口径高功率固体激光系统也建立起来了,它们的主要任务是完成相关物理实验的验证。中口径固体激光系统,除了在规模上相对较小之外,基本结构与大型激光装置相似,并且工作效率相对较高,运行比较灵活。因此,搭建一台高光束质量高性能的中口径高功率固体激光系统,能够开展高能量高功率激光应用方面的科学研究,为大型高功率激光驱动器的搭建提供科学实验数据。本文研究设计的高性能百焦耳级固体激光系统,正是支撑大型激光装置的物理实验验证,完成紫外光学元件损伤实验的中口径激光系统。它采用主振荡功率放大(MOPA)结构,由全光纤前端产生的1053 nm种子源,经多级钕玻璃放大,达到100 J级,光束口径Φ60 mm,经两块磷酸二氢钾(KDP)晶体实现三倍频351 nm激光输出,能量达到50 J。该系统激光输出光束质量高,具备空间强度整形能力,波前整形能力,脉冲波形整形能力。该系统具有较高的能量稳定性和光束指向稳定性,运行发次间隔为30 min,每一发都可监测基频和三倍频的近场分布、能量和时间波形,常规运行在1ω/80 J和3ω/40 J,是一台钢铁般的武器级“用户装置”。本文介绍了百焦耳激光系统的设计,并针对激光输出光束质量的近场空间分布和波前分布两个方面进行了深入研究,利用可编程液晶空间光调制器和低成本小口径变形镜,有效的提高了光束质量,具体工作包括以下几个方面。设计了激光器的总体构型,采用四级全钕玻璃棒放双程放大结构,设计基频最终输出1053 nm/Φ60 mm/100 J/3 ns。介绍了激光器的5个分系统:全光纤前端系统,激光放大、传输及能源系统,频率转换系统,光束控制与测量及同步系统和计算机集中控制系统。设计了主光路的双面立墙的光路排布,并完成了整体的光学调试。介绍了激光器的结构设计,完成了整个激光器的安装,并初步测试了激光系统输出参数。针对如何提高激光输出的近场光束质量,分析确定了使用可编程液晶空间光调制器。对于基频光,考虑主放大链路的增益和传输的空间不均性,利用线性放大模型,研究了基频光的近场补偿算法;对于三倍频光,考虑晶体频率转换过程中的能量非线性效应和晶体各个位置传输的空间不均性,利用非线性传输模型,研究了三倍频光的近场补偿算法。在百焦耳激光系统中,实验研究了基频光和三倍频光的近场光束质量改善。结果表明,基于液晶空间光调制器能够实现近场空间强度整形,通过优化算法,得到了高近场光束质量的激光输出,基频光近场调制度达到1.26:1,三倍频光近场调制制度达到1.42:1。针对如何优化激光输出的波前分布,分析了基频光波前测量方法,确定了使用变形镜改善激光系统波前分布。研究了利用低成本小口径变形镜放在激光系统前级进行波前整形方法,并通过了实验验证,在百焦耳固体激光系统上得到了波前近平顶分布激光输出。结果表明,利用前级小口径变形镜能够补偿复杂高功率固体激光系统内部引起的波前畸变,改善的末级输出波前,达到近平顶分布的波前输出,最后得到基频光输出波前PV值为0.29λ,RMS值为0.06λ。研究了高功率激光系统中空间强度整形与波前整形的相互影响关系。在百焦耳激光系统中,利用空间光调制器和前级小口径变形镜完成了激光空间强度与波前的联合整形,实现了空间强度和波前分布同时均匀的激光输出,结果表明,基频光输出近场调制度优于1.4:1,同时波前PV值小于0.4λ。
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图片说明： 哈尔滨工业大学工学博士学位论文近几十年来，将液晶作为空间光调制本原理是是利用液晶分子的偏振旋光位的目的。外加电压能够改变液晶分子[49, 50]。SLM 实现空间调制的过程需要压的实时控制等。SLM 主要包括一个器和一个检偏器，如图 1-1 所示，，实时实现对空间透过率的控制，因此，液晶。
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图片说明： 率激光波前整形方法整形器件形反射镜率激光波前输出光束质量控制方面，一般对空间低频制可采用变形镜（Deformable Mirror，DM）来实现[7过改变元件表面面型来改变反射光束的光程。DM 校-2 所示。平面镜不具有波前畸变校正能力，而 DM 将波前对应的共轭面时，反射波前理论上是一个平面波压电陶瓷与镜面接触式配合镀金属膜或介质膜表面，压面，改变其面型分布。当前的 DM 具有诸多优点，态范围大，校正量与波长无关，表面反射率高和损伤 的应用范围也受限于复杂的单元制造技术和价格昂DM 单元尺寸较大，能够很好的校正空间低频波前畸间高频的小尺度波前畸变。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN248.1


本文编号：2515647