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物像光栅自拼接在超短超强激光中的应用问题研究

【摘要】:近期,基于啁啾脉冲放大技术的超短超强拍瓦级(1拍瓦=1015W)激光的发展受到了光栅有限口径的限制,因此不得不采用光栅拼接技术。传统光栅拼接的高拼接难度和低光学效果不利于拍瓦级激光装置的研制。因此,我们提出了一种新型技术叫做物像光栅自拼接,该技术大大缓解了上述两个问题。从目前来看物像光栅自拼接是解决拍瓦级激光压缩器光栅尺寸不足的一个好办法。由于物像光栅自拼接不存在前后位移拼接误差,因此压缩器输出脉冲的脉宽抖动问题得到了解决,特别适合于飞秒拍瓦激光系统。针对需求,本文将开展物像光栅自拼接应用在拍瓦级激光装置的预研工作,全面围绕潜在应用问题、相应解决方案、小型验证实验、应用方案设计,以及辅助技术开发进行详细研究。最终帮助解决拍瓦级激光装置中压缩器光栅尺寸不足问题,并助力实现前所未有的超短超强激光输出。本论文的主要研究内容和创新点介绍如下:1)理论和实验解决了物像光栅自拼接技术的拼接精度、拼接稳定性和拼接基准监测问题,开发了闭环自动控制系统实现了近理想拼接状态的自动获取和稳定维持。a)建立了拼接光栅衍射光的电场分布模型,对传统光栅拼接和物像光栅自拼接的拼接精度问题进行了理论分析。开展了传统光栅拼接和物像光栅自拼接的稳定性对比实验,结果显示物像光栅自拼接具有更高的稳定性,对实验结果利用统计学方法进行了理论解释。开发了一套物像光栅自拼接闭环自动控制系统,获得了近理想拼接状态的快速自动获取及长时间自动稳定维持;b)针对物像光栅自拼接基准光栅(物光栅)的稳定维持问题,提出了一种光栅三维角漂在线监测方法。监测对象包括全维度光栅角漂,监测内容包括大小和方向,监测精度可以达到方位角±0.5μrad,俯仰角±0.5μrad和面内角±1.67μrad。2)解决了物像光栅自拼接压缩器中的零级衍射光问题和相关的色散修复问题,理论模拟了光谱调制问题和脉冲叠加问题。a)为了保证系统安全,沿光栅条纹方向倾斜压缩器入射光以规避物像光栅自拼接中的零级衍射光进入放大器。但规避方法会造成系统色散畸变,针对钕玻璃皮秒拍瓦激光系统,提出了插入长度优化光纤和修正压缩器光栅对间距的三阶色散补偿方法。针对钛宝石飞秒数拍瓦激光系统,得到了压缩器倾斜入射有利于放大器材料色散补偿的结论;b)模拟了钛宝石宽带激光系统中物像光栅自拼接压缩器的光谱调制问题,以及钕玻璃大口径激光系统中物像光栅自拼接压缩器的脉冲叠加问题。模拟结果显示光谱调制问题不会对压缩脉冲产生明显影响,脉冲叠加问题不会造成压缩器光栅损坏。3)完成了物像光栅自拼接技术在啁啾脉冲放大系统中的首次实验演示,针对十拍瓦激光系统提出了物像光栅自拼接压缩器的设计方案,并提出了一种压缩器输出激光残余角啁啾的测量方法。a)在小型光参量啁啾脉冲放大激光系统中实验演示了物像光栅自拼接压缩器的时空效果,在时间上获得了1.5倍傅里叶转换极限脉宽,在空间上获得了1.9倍衍射极限焦斑。同时开展了与同等口径无拼接光栅压缩器的对比实验,结果显示两组实验的压缩脉冲时空特性相一致;b)提出了一种物像光栅自拼接压缩器在十拍瓦激光系统中的应用方案设计,完全基于商品化光栅,解决了压缩器光栅尺寸不足的问题。此外采用分步式压缩器结构,包括前级压缩器和后级压缩器,减小了压缩器和真空系统的规模。色散修正器的引入提高了色散管理质量,降低了色散管理难度,同时可以实现系统输出脉宽的方便调谐;c)为了确保拼接光栅压缩器的效果,提出了一种残余角啁啾精密测量方法。通过对输出脉冲进行远场焦斑分析,可以获得残余角啁啾数据。对于100mm口径钛宝石激光理论测量精度可以达到0.1μrad/nm。此外还可以实现单次测量和实时测量。

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