大口径超短超强激光系统相干组束中相位问题研究

发布时间：2017-03-24 12:15

  本文关键词：大口径超短超强激光系统相干组束中相位问题研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：超短超强激光系统能够产生极高峰值功率的激光脉冲,在光谱学、材料加工、二次辐射产生、高能粒子加速、先进阿秒科学、高能实验室天体物理等方面有大量应用。现有的技术手段短期内难以大幅度提升单路激光系统的输出能力。为了获得更高峰值功率的激光脉冲,研究人员提出了相干组束技术。相干组束技术可以突破单束激光系统输出能力的限制,并保持较好的光束质量。然而,作为一种最有希望产生最高峰值功率的激光脉冲的技术路线,大口径超短超强激光系统相干组束仍未实现,相应的理论分析依然缺乏。本文对大口径超短超强激光系统相干组束中的相位问题进行了深入研究。通过建立相应的物理模型,进行一系列的数值仿真,试图回答“相干组束需要将激光束波前控制到什么水平”和“为了实现对光束波前的要求而应对激光放大系统施加什么要求”两大基础问题。在前一个问题的讨论中,我们对一个双光束大口径超短脉冲相干组束系统计算了束内和束间波前误差的控制要求,并研究了脉冲宽度和组束规模对波前误差控制要求的影响。得到的结论主要有：1、当波前参数好于一定值时,相干组束性能会快速改善；2、脉冲宽度和组束规模不会明显影响相干组束波前误差的控制要求,因而从波前误差的角度看,将脉冲宽度很短的多束激光进行相干组束是更好的选择；3、小波前误差情况下,piston和tip/tilt误差的存在会显著降低相干组束的性能,而在大波前误差的情况下影响很小。在后一个问题的讨论中,我们对一个假设的10PW级大口径OPCPA超短超强激光系统中的OPA过程进行了数值仿真,研究了这类系统中的信号光放大性质及波前退化规律。得到的结论主要有：1、这类系统只需要很短的相互作用距离就能实现信号光饱和放大；2、对于这类系统,衍射、走离和群速度失配的影响不大,信号光可以保持较好的波前分布；3、泵浦光波前参数和信号光波前参数间不存在明显的关系；4、随着泵浦光能量的增大,信号光波前误差的幅度相应增加,激光束的聚焦特性变差,而散射特性变好；5、正非共线角匹配方式比负非共线角匹配方式更容易获得较好的波前分布。此外,本文还对大口径超短超强激光系统相干组束中的波前控制方法进行了研究。结合数值仿真的数据和大型激光装置中自适应光学系统的调研结果,我们发现：1、两路大口径超短超强激光脉冲相干组束中四波横向剪切干涉(SID4)和Shack-Hartmann波前传感都可能满足要求；2、随着组束规模的扩大,四波横向剪切干涉法波前传感是更好选择；3、为了实现精度、动态范围、成本、体积、复杂度都能满足要求的波前校正,应当将多种波前校正技术结合,对不同阶波前像差进行分别校正。本文的研究内容有助于大口径超短超强激光系统相干组束领域的研究,对于未来的工程实践有一定的参考价值。
【关键词】：超短超强激光 相干组束 相位问题 波前要求 自适应光学
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN24
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-24
• 1.1 研究背景10
• 1.2 大口径超短超强激光系统相干组束研究概况10-22
• 1.2.1 超短超强激光技术研究10-15
• 1.2.2 超短超强激光相干组束技术研究15-20
• 1.2.3 大口径超短超强激光系统相干组束所面临的问题20-22
• 1.3 本文研究内容22-24
• 第二章 大口径超短超强激光系统相干组束中的相位效应研究24-39
• 2.1 相干组束波面相关物理量建模24-26
• 2.2 影响机制及控制需求分析26-37
• 2.2.1 对子束自身的波前差的要求26-30
• 2.2.2 对子束间波前误差的要求30-37
• 2.3 本章小结37-39
• 第三章 大口径OPCPA系统中的波前退化效应研究39-52
• 3.1 物理模型40-44
• 3.1.1 用于超短脉冲OPA过程的耦合波方程41-42
• 3.1.2 耦合波方程数值求解42-44
• 3.2 子束自身波前退化的因素分析44-50
• 3.2.1 泵浦光波前畸变的影响46-48
• 3.2.2 泵浦光能量的影响48-49
• 3.2.3 非共线角的影响49-50
• 3.3 本章小结50-52
• 第四章 大口径超短超强激光系统相干组束中波前控制方法研究52-62
• 4.1 波前传感方法53-58
• 4.1.1 Shack-Hartmann波前传感54-55
• 4.1.2 曲率波前传感55-56
• 4.1.3 四波横向剪切干涉波前传感56-58
• 4.1.4 波前传感器的选择58
• 4.2 波前校正方法58-60
• 4.2.1 波前校正器的种类介绍58-60
• 4.2.2 波前校正器的选择60
• 4.3 可能的实验方案60-61
• 4.4 本章小结61-62
• 第五章 总结与展望62-64
• 5.1 全文总结62-63
• 5.2 研究展望63-64
• 参考文献64-69
• 致谢69-70
• 附录70

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本文编号：265608