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ICF物理实验要求高功率固体激光装置具备足够高的总体输出能力,而负载能力难于提升是目前制约系统输出能力的瓶颈因素。若负载能力不足,则在提取放大器能量和进行倍频能量转换时,元器件就可能出现激光束诱导的激光损伤破坏,从而限制了输出能力的提高。负载能力提升关键是提高激光束近场及远场光束质量和系统中光学元件的激光损伤阈值。
本论文分析了激光束的噪声源,建立了调制光束的物理模型,并在此基础上讨论了噪声在系统中传输时对光束质量的影响,同时考察激光参数及系统结构参数等参量的作用,为改善光束质量和提高输出能力及系统结构优化提供重要的理论依据。本论文主要作了如下三方面的工作:
1.重点考察空间滤波器结构参数对输出光场空间调制的影响。在小信号微扰近似条件下,将高功率激光光束传输中的非线性噪声从本底光场的线性项中分离出来,建立了非线性噪声通过空间滤波器时的衍射传输理论模型。在此基础上数值模拟了非线性噪声通过不同放大倍率的空间滤波器时空频率演化特性,结果表明通过选取适当的结构参数来抑制传输光束的高频调制,可有效改善波纹调制光束的近场衍射特性。
2.主要分析超短脉冲色散效应对输出光束空间调制及空间滤波器结构参数对短脉冲时间特性的影响。一方面,从柯林斯衍射积分理论出发,通过数值模拟讨论介质色散对超短脉冲光束聚焦光场时空分布的影响。结果表明,透镜色差和群速度色散共同作用使焦点附近脉冲展宽,峰值功率快速下降。对于所取的材料和光束类型不一样,群速度色散对光束聚焦性质的影响有所不同,将导致脉冲展宽或压缩,并改变脉冲时间波形。然后通过傅里叶光学方法,考察了空间滤波器中,透镜对的色散特性对激光脉冲空间调制的影响。分析表明对于含有调制的超短脉冲激光,光学元件的色散会降低调制光束的调制度,从而提高光束近场分布均匀性。另一方面,讨论了空间滤波器的结构参数对短脉冲时间特性的影响。结果表明,当超短脉冲通过空间滤波器时,脉冲展宽和脉冲波前畸变与放大倍率成正比。对于大口径超短脉冲激光系统,材料色差及群速度色散对脉冲展宽和波前畸变效应不容忽视,在空间滤波器的设计中,不但要考虑空间调制频率因素,同时还要衡量对短脉冲时间域的影响。因此,应谨慎使用传统的长脉冲高功率激光器巾的大口径空间滤波器系统。
3.分析终端光学系统中,限制系统负载能力的倍频晶体激光诱导损伤的物理根源,同时发现三倍频光束的近场调制是产生激光损伤的核心问题,并基于此提出了终端光学系统结构的优化。采用光波衍射积分理论,从理论上研究了具有周期振幅调制和位相畸变激光束经透镜聚焦的焦前衍射特性。理论和数值模拟表明,由于离焦距离引入的二次位相调制因子和畸变光束产生的位相调制,使波前子束在不同离焦面处的衍射光波呈现不同空间分布,且总有一个近场调制度最小的位置,因此可通过改变高功率激光系统中终端光学组件的石英玻璃窗口的位置,减小衍射光场大尺度光束调制对其的破坏作用。此外,对于一定周期调制激光束,增加聚焦透镜的焦距,可减小焦前衍射光束的强度调制起伏,获得较为平滑的光强分布,避免中低频位相扰动对石英玻璃的激光损伤。因此,在终端光学系统中控制噪声源及光学元件的位置,改善光束质量对提高三倍频系统的负载能力有重要意义。