基于SBS的高能皮秒激光器研究
发布时间：2021-10-14 18:31
高能量的超短脉冲皮秒激光因其具有高峰值功率、高光束质量及理想的时间和空间波形被应用于医疗、工业加工及军用等诸多领域。采用传统技术手段获得高能皮秒脉冲激光造价高昂,效率低,实验装置复杂,不利于普及推广。基于受激布里渊散射（SBS）效应,将纳秒量级泵浦光通过压缩和放大等措施,成功获得高能量百皮秒超短脉冲输出。将其与其它系统结合搭建完整激光治疗仪器,通过实验观察纹身淡化病例样本,进一步验证该实验装置的有效性与先进性。首先,依据SBS理论建立自发散射模型及物理放大模型,采用麦克斯韦（Maxwell）方程组和Navier-Stokes方程相结合,建立一维瞬态SBS耦合方程组,在此基础上利用差分法与迭代法离散方程,获得数值模拟仿真公式。对SBS阈值效应进行仿真,从泵浦光、介质材料及系统结构三方面分别对脉宽压缩及布里渊放大进行模拟。通过数值分析各参数对脉宽压缩、能量反射和受激布里渊放大过程的影响规律。其次,通过数值模拟结果及对介质的各项性质了解,选用FC-40和FC-43两种不同参数介质进行对比实验,搭建产生池与放大池相结合的双池结构装置,分别对其获得的脉宽压缩效果,能量反射强度,中心波长及脉宽稳定...
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
首次通过SBS效应脉冲压缩实验装置图
第1章绪论3示[17]。在充满甲烷(CH4)且压强为130atm的锥形玻璃管中，通过SBS效应，将能量200mJ，脉宽20ns的Nd:YAG脉冲激光进行压缩，获得最窄脉冲宽度2±0.5ns。在实验过程中D.T.Hon初次提出SBS半经典理论，推导并建立耦合波方程。图1.1首次通过SBS效应脉冲压缩实验装置图（O-激光器；P-偏振片；Q-1/4波片；A-放大池；C-SBS压缩池；D-探测器；D1,D2,D3分别为放大后输入、前向散射、二次压缩探测器）1988年前苏联M.A.Davydov和I.N.Kosheynikova两人通过对非稳态环境下SBS引起的Stokes脉冲压缩过程进行数值分析，预估了在不同声子弛豫时间中液体介质SBS的最大压缩系数[18]。结果表明，压缩比取决于泵浦能量，与介质种类无关，但是具有低吸收系数与短弛豫时间的液体介质，更容易实现SBS脉冲压缩。1999年荷兰IavorVelchev等人提出一种通过瞬态SBS脉冲压缩的新型手段，实验设计如图1.2所示[19]。脉冲压缩实验中，I.Velchev等人采用波长532nm，脉冲宽度5ns，能量300mJ可调高斯光束，以水作为SBS介质。实验采用二级SBS脉冲压缩装置，在一级压缩后获得300ps脉冲输出，随后在二级压缩结构中，脉冲宽度进一步被压缩，最终获得160±10ps超短脉冲输出，该值远小于水中声子寿命（τP=295ps）。实验通过SBS瞬态理论模型及数值计算获得脉冲压缩最窄极限，证实通过SBS脉冲压缩可在适当条件下获得声子寿命一半的脉冲宽度。图1.2瞬态SBS脉冲压缩实验装置图（SHG:二次谐波产生阶段；PBS:偏振片；QWP:四分之一波片；A:衰减片；C1,C2:布里渊压缩池）
1]。实验通过装有SF6气体介质的一级压缩池后，获得了脉冲宽度为350ps的Stokes脉冲，在后续二级压缩过程中，选择FC-72作为SBS压缩介质，得到脉冲宽度为90ps的超短脉冲输出，最后通过激光放大系统进一步压缩，得到脉冲宽度仅为54ps的超短脉冲。实验过程中，E.Takahashi等人采用较低能量（350μJ）便观测到Stokes波形，并实现了60%左右的能量转换效率以及0.63GW/cm2峰值功率输出。2005年韩国S.K.Lee等人在四种具有不同非线性折射率和布里渊线宽的介质下，对比了SBS反射率随多纵模与单纵模泵浦光变化的影响[22]。实验设计结构如图1.3所示，实验表明，对于多纵模泵浦光，因其大量纵向模式之间产生高强度峰值，可能引起光学击穿现象和非线性效应，如自聚焦和受激拉曼散射(SRS)。相反，单纵模泵浦光提供了稳定的模式输出，更高的反射率（90%）且不易产生自聚焦及SRS等效应。单纵模激光器较多纵模激光器效果更优异，但成本及结构复杂程度往往也会大幅提高。图1.3单，多纵模激光器基于SBS脉冲压缩对比实验装置图2006年日本H.Park等人发现了四种新型全氟碳(FC)化合物和六种全氟聚醚(PFPE)介质，并对新的SBS液体介质进行了反射率、阈值和布里渊频移测量[23]。其中，大多数介质都表现了较好的SBS特性以及较高的能量负载，FC-77以及HT-70都可作为大功率激光脉冲压缩放大介质。2007年日本H.Yoshida等人设计了一种由两个直角棱镜和熔融石英玻璃组成的紧凑型全固态SBS脉冲压缩装置[24]。实验过程中，通过熔融石英作为SBS压缩介质，
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于SBS超短脉冲激光器的介质研究[J]. 刘泓鑫,李永亮,顾小琨,胡伟伟,张翼鹏,张英明. 激光与红外. 2019(04)
[2]皮秒激光的临床应用经验总结[J]. 严淑贤,卢忠. 中国激光医学杂志. 2018(02)
[3]TC11钛合金表面微凹坑织构皮秒激光加工工艺[J]. 华希俊,王成,郝静文,陈亚林,解玄,符永宏. 表面技术. 2018(03)
[4]Generation of high-energy 284 ps laser pulse without tail modulation by stimulated Brillouin scattering[J]. 刘照虹,王雨雷,王一锐,远航,白振旭,王红丽,刘瑞,李森森,张恒康,周罗贤,谭谈,何伟明,吕志伟. Chinese Optics Letters. 2016(09)
[5]多波段紫外太瓦级CPA系统[J]. 令维军,张少刚,李可,张明霞,王屹山,赵卫,王兆华,魏志义. 物理学报. 2011(11)
[6]熔融石英玻璃受激布里渊散射效应实验研究[J]. 郭少锋,林文雄,陆启生,陈燧,林宗志,邓少永,朱永祥. 物理学报. 2007(04)
[7]光学击穿对受激布里渊散射特性的影响[J]. 哈斯乌力吉,吕志伟,何伟明,李强,巴德欣. 物理学报. 2005(12)
[8]介质化学纯度影响受激布里渊散射的实验研究[J]. 葛传文,张为俊,王沛,邵杰,程平,聂劲松,汪震. 激光与光电子学进展. 2000(04)
[9]单池受激布里渊散射脉冲波形的研究[J]. 刘莉,吕志伟,何伟明,王骐,马祖光. 中国激光. 2000(01)
[10]KrF激光在SF6气体中受激布里渊散射的研究[J]. 汤秀章,姚刚,王孝君. 强激光与粒子束. 1995(02)
硕士论文
[1]全氟碳系列介质的SBS百皮秒脉冲压缩及布里渊放大特性研究[D]. 赵航.哈尔滨工业大学 2015
[2]全氟胺系列介质的SBS百皮秒脉冲压缩特性研究[D]. 成思勋.哈尔滨工业大学 2014
[3]SBS百皮秒脉冲压缩特性的研究[D]. 王雪阳.哈尔滨工业大学 2013
本文编号：3436637
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
首次通过SBS效应脉冲压缩实验装置图
第1章绪论3示[17]。在充满甲烷(CH4)且压强为130atm的锥形玻璃管中，通过SBS效应，将能量200mJ，脉宽20ns的Nd:YAG脉冲激光进行压缩，获得最窄脉冲宽度2±0.5ns。在实验过程中D.T.Hon初次提出SBS半经典理论，推导并建立耦合波方程。图1.1首次通过SBS效应脉冲压缩实验装置图（O-激光器；P-偏振片；Q-1/4波片；A-放大池；C-SBS压缩池；D-探测器；D1,D2,D3分别为放大后输入、前向散射、二次压缩探测器）1988年前苏联M.A.Davydov和I.N.Kosheynikova两人通过对非稳态环境下SBS引起的Stokes脉冲压缩过程进行数值分析，预估了在不同声子弛豫时间中液体介质SBS的最大压缩系数[18]。结果表明，压缩比取决于泵浦能量，与介质种类无关，但是具有低吸收系数与短弛豫时间的液体介质，更容易实现SBS脉冲压缩。1999年荷兰IavorVelchev等人提出一种通过瞬态SBS脉冲压缩的新型手段，实验设计如图1.2所示[19]。脉冲压缩实验中，I.Velchev等人采用波长532nm，脉冲宽度5ns，能量300mJ可调高斯光束，以水作为SBS介质。实验采用二级SBS脉冲压缩装置，在一级压缩后获得300ps脉冲输出，随后在二级压缩结构中，脉冲宽度进一步被压缩，最终获得160±10ps超短脉冲输出，该值远小于水中声子寿命（τP=295ps）。实验通过SBS瞬态理论模型及数值计算获得脉冲压缩最窄极限，证实通过SBS脉冲压缩可在适当条件下获得声子寿命一半的脉冲宽度。图1.2瞬态SBS脉冲压缩实验装置图（SHG:二次谐波产生阶段；PBS:偏振片；QWP:四分之一波片；A:衰减片；C1,C2:布里渊压缩池）
1]。实验通过装有SF6气体介质的一级压缩池后，获得了脉冲宽度为350ps的Stokes脉冲，在后续二级压缩过程中，选择FC-72作为SBS压缩介质，得到脉冲宽度为90ps的超短脉冲输出，最后通过激光放大系统进一步压缩，得到脉冲宽度仅为54ps的超短脉冲。实验过程中，E.Takahashi等人采用较低能量（350μJ）便观测到Stokes波形，并实现了60%左右的能量转换效率以及0.63GW/cm2峰值功率输出。2005年韩国S.K.Lee等人在四种具有不同非线性折射率和布里渊线宽的介质下，对比了SBS反射率随多纵模与单纵模泵浦光变化的影响[22]。实验设计结构如图1.3所示，实验表明，对于多纵模泵浦光，因其大量纵向模式之间产生高强度峰值，可能引起光学击穿现象和非线性效应，如自聚焦和受激拉曼散射(SRS)。相反，单纵模泵浦光提供了稳定的模式输出，更高的反射率（90%）且不易产生自聚焦及SRS等效应。单纵模激光器较多纵模激光器效果更优异，但成本及结构复杂程度往往也会大幅提高。图1.3单，多纵模激光器基于SBS脉冲压缩对比实验装置图2006年日本H.Park等人发现了四种新型全氟碳(FC)化合物和六种全氟聚醚(PFPE)介质，并对新的SBS液体介质进行了反射率、阈值和布里渊频移测量[23]。其中，大多数介质都表现了较好的SBS特性以及较高的能量负载，FC-77以及HT-70都可作为大功率激光脉冲压缩放大介质。2007年日本H.Yoshida等人设计了一种由两个直角棱镜和熔融石英玻璃组成的紧凑型全固态SBS脉冲压缩装置[24]。实验过程中，通过熔融石英作为SBS压缩介质，
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于SBS超短脉冲激光器的介质研究[J]. 刘泓鑫,李永亮,顾小琨,胡伟伟,张翼鹏,张英明. 激光与红外. 2019(04)
[2]皮秒激光的临床应用经验总结[J]. 严淑贤,卢忠. 中国激光医学杂志. 2018(02)
[3]TC11钛合金表面微凹坑织构皮秒激光加工工艺[J]. 华希俊,王成,郝静文,陈亚林,解玄,符永宏. 表面技术. 2018(03)
[4]Generation of high-energy 284 ps laser pulse without tail modulation by stimulated Brillouin scattering[J]. 刘照虹,王雨雷,王一锐,远航,白振旭,王红丽,刘瑞,李森森,张恒康,周罗贤,谭谈,何伟明,吕志伟. Chinese Optics Letters. 2016(09)
[5]多波段紫外太瓦级CPA系统[J]. 令维军,张少刚,李可,张明霞,王屹山,赵卫,王兆华,魏志义. 物理学报. 2011(11)
[6]熔融石英玻璃受激布里渊散射效应实验研究[J]. 郭少锋,林文雄,陆启生,陈燧,林宗志,邓少永,朱永祥. 物理学报. 2007(04)
[7]光学击穿对受激布里渊散射特性的影响[J]. 哈斯乌力吉,吕志伟,何伟明,李强,巴德欣. 物理学报. 2005(12)
[8]介质化学纯度影响受激布里渊散射的实验研究[J]. 葛传文,张为俊,王沛,邵杰,程平,聂劲松,汪震. 激光与光电子学进展. 2000(04)
[9]单池受激布里渊散射脉冲波形的研究[J]. 刘莉,吕志伟,何伟明,王骐,马祖光. 中国激光. 2000(01)
[10]KrF激光在SF6气体中受激布里渊散射的研究[J]. 汤秀章,姚刚,王孝君. 强激光与粒子束. 1995(02)
硕士论文
[1]全氟碳系列介质的SBS百皮秒脉冲压缩及布里渊放大特性研究[D]. 赵航.哈尔滨工业大学 2015
[2]全氟胺系列介质的SBS百皮秒脉冲压缩特性研究[D]. 成思勋.哈尔滨工业大学 2014
[3]SBS百皮秒脉冲压缩特性的研究[D]. 王雪阳.哈尔滨工业大学 2013
本文编号：3436637
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/3436637.html
