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

发布时间：2020-08-18 11:23

【摘要】：激光惯性约束聚变(ICF)作为解决能源危机的潜在手段之一,受到各国政府和科研机构的高度重视。为制造满足冲击点火要求的200ps脉宽、千焦耳以上能量、单峰值功率达数十太瓦的激光脉冲,受激布里渊散射(SBS)脉冲压缩及布里渊放大技术逐步走入视野。受激布里渊散射拥有相位共轭、高脉冲能量转化率、高增益等特点,是最简单、实用的压缩高功率激光脉冲宽度实现冲击点火的方法。本文从理论与实验两个角度对百皮秒脉冲压缩及布里渊放大过程进行了详细的分析。以此来确定在低能量下,各参数对脉冲压缩及布里渊放大过程的影响。本论文首先根据受激布里渊散射原理建立自发起源模型和布里渊放大的物理模型。依据Maxwell方程以及Navier-Stokes方程,采用适当的近似方法和数学手段进行离散化,最终得到可用于Matlab数值仿真的布里渊放大模拟表达式。从泵浦参数、结构参数和介质参数角度对SBS脉冲压缩与布里渊放大过程的变化给予理论模拟。数值分析各参数对脉宽压缩过程中压缩脉宽、能量反射率和布里渊放大过程中抽运能量提取率、种子能量放大率及脉宽压缩率的影响规律。从介质化学结构与SBS特性的关系入手,探索寻找新型全氟碳系列介质。根据SBS作用原理提出PF-5060、FC-43、FC-70等高负载、低吸收、短寿命的全氟碳系列新型SBS介质,并给出介质化学分子结构。通过理论计算该系列介质在532nm波长下的声子寿命、增益系数、布里渊频移等参数,实验测量介质吸收系数和部分光学击穿阈值。采用双级SBS脉冲压缩结构,依据模拟结果确定最佳结构参数,开展介质参数对百皮秒脉冲产生影响的实验研究。首先选择同类分子结构的全氟胺系列介质进行对比性研究,讨论介质声子寿命对最窄压缩脉宽、压缩稳定度和能量反射率的影响规律。得到声子寿命越小,相同条件下所能压缩的脉冲宽度越窄而且稳定度越好的规律结论。然后选择分子结构和声子寿命均有较大差异的全氟聚醚系列和全氟烃系列介质对上述实验结果加以验证,最终确定规律的正确性。根据布里渊放大理论模拟结果,依靠现有实验器械和条件,就布里渊放大过程进行实验上的探索。通过对泵浦能量提取效率、种子能量放大率和斯托克斯脉宽压缩效率三个典型参量的测算,分析抽运能量、种子能量和介质声子寿命在布里渊放大过程中作用规律。结果表明通过增大抽运能量减少种子能量可以获得更高的能量放大倍数。在低能量阶段,介质声子寿命越小,脉冲能量放大倍数越高,脉宽展宽越小。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TL632.1
【图文】：

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实验示意图见下图 1-1，20ns 的激光脉冲从激光器出射，经入射到锥形波导中，利用 Methane 气体作为介质把脉冲压窄到 2ns 转化率超过 70%。并且通过对实验及理论上分析提出，当激光入射于受激布里渊散射产生反向 Stokes 光脉冲，两脉冲通过声波光栅相现脉冲压缩。

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图 1-2 Stephan Schiemann 等人选用的布里渊脉冲压缩结构[3] 年，Iavor Velchev 等人[4]提出了一种新压缩模型，模型采用的是态理论。利用数学计算得出脉宽压缩的最窄界限，确定 SBS 脉于增益介质的声子弛豫时间的结论。他们采用的实验装置如图

实验装置,声子,压缩模型,脉宽压缩

图 1-2 Stephan Schiemann 等人选用的布里渊脉冲压缩结构[3]，Iavor Velchev 等人[4]提出了一种新压缩模型，模型采用理论。利用数学计算得出脉宽压缩的最窄界限，确定 SB增益介质的声子弛豫时间的结论。他们采用的实验装置如2nm 波长，选用 Water 作为 SBS 非线性介质。紧凑双池缩中，输出脉宽实现 300ps，脉冲能量可以达到 5mJ；经二级单池压缩结构。最终，斯托克斯的激光压缩脉冲达到水中声子的平均寿命(τ=295ps)。

【参考文献】