高功率釹玻璃激光系統(tǒng)的寬帶三倍頻技術(shù)方案研究.pdf

1、寬帶激光既有助于提高大口徑(～300 mm)、高能量(～kJ)的釹玻璃激光驅(qū)動器自身的綜合性能，如避免大口徑元件的破壞、改善光束質(zhì)量、提高放大器的儲能的提取效率等；也有助于提高物理實驗的綜合效果，激光的寬頻帶有利于提高靶丸目標對激光的有效吸收，獲得更高的靶丸壓縮比；有助于抑制激光-等離子作用中有害的超熱電子的產(chǎn)生等，從而提升高能量密度物理實驗的成功率。用于慣性約束聚變的高功率激光驅(qū)動器今后的一個重要發(fā)展趨勢是采用寬帶激光脈沖進行傳輸和放

2、大。
　　釹玻璃激光的三倍頻成分是用于慣性約束核聚變的理想波段，受非線性KDP晶體色散特性的影響，高效釹玻璃激光脈沖的三倍頻僅限于于單縱模的窄帶情況，高效率的三倍頻轉(zhuǎn)換成為寬帶激光驅(qū)動器技術(shù)發(fā)展中少數(shù)幾個核心難題之一。長期以來，國內(nèi)外從事釹玻璃激光驅(qū)動器的專業(yè)單位先后嘗試了許多實現(xiàn)寬帶三倍頻的思想和技術(shù)，但都存在技術(shù)復(fù)雜或支持帶寬不夠等不足。因此，寬帶激光的高效率諧波轉(zhuǎn)換是一項具有重要實際意義的研究課題，需要有突破常規(guī)的思路及技術(shù)

3、去解決這一難題。
　　本文提出了一種新穎的寬帶激光三倍頻技術(shù)方案，指出可以利用傳統(tǒng)的窄線寬釹玻璃激光來推動寬帶釹玻璃激光脈沖的高效三倍頻產(chǎn)生，稱為組合激光工作模式(寬帶激光+窄帶激光)的寬帶三倍頻方案；該方案無需應(yīng)用大口徑光柵等色散元件，并可以與目前使用成熟的雙和頻晶體方案結(jié)合，可以支持目前釹玻璃激光裝置能達到的最大帶寬～5 nm的高效三倍頻(理論上效率～80％)，有望突破寬帶型釹玻璃激光驅(qū)動器發(fā)展的技術(shù)瓶頸。另外，本文提出的組合

4、激光工作模式也為超短脈沖激光的高效諧波轉(zhuǎn)換提供了新的思路。
　　論文的主要內(nèi)容和創(chuàng)新點如下：
　　一、提出了利用窄線寬的釹玻璃激光脈沖與寬帶釹玻璃激光脈沖組合進行頻率轉(zhuǎn)換，高效得到紫外波段的寬帶激光脈沖的三倍頻技術(shù)方案。研究發(fā)現(xiàn)，利用窄線寬的激光脈沖，可以減緩寬帶激光諧波轉(zhuǎn)換過程中群速度失配對效率的限制，從而提高寬帶激光的三倍頻轉(zhuǎn)換效率。在小信號情況下分別通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)和數(shù)值模擬研究了其相位匹配帶寬的性質(zhì)，證實了與窄線寬激光有

5、關(guān)的群速度失配不影響轉(zhuǎn)換過程的相位匹配帶寬。
　　二、對于中等寬帶的釹玻璃激光脈沖(～1.2 nm，通過對脈沖進行時間相位調(diào)制獲得)的三倍頻，雙和頻晶體級聯(lián)的方案雖然在效率上基本可以達到實用的標準，但并沒有從根本上消除群速度失配的影響；導(dǎo)致輸入時間相位調(diào)制的基頻光，其產(chǎn)生的三倍頻脈沖頂部會出現(xiàn)較強振蕩。利用釹玻璃激光在KD*P晶體Ⅱ類和頻過程中兩個群速度失配值差別較大的特性，在和頻過程中引入窄線寬的釹玻璃激光脈沖，可以大大減緩群速

6、度失配值的限制，從而可以很好地抑制基頻光的相位調(diào)制向三倍頻脈沖強度調(diào)制的轉(zhuǎn)移，改善了輸出脈沖形狀的均勻性及對稱性。
　　三、針對目前高能釹玻璃激光裝置能達到的最大帶寬～5 nm，采用窄線寬激光脈沖來推動其納秒級(109 s)啁啾脈沖的三倍頻轉(zhuǎn)換，結(jié)合目前使用成熟的雙和頻晶體級聯(lián)技術(shù)，理論上轉(zhuǎn)換三倍頻效率可達80％。對生成的寬帶紫外啁啾脈沖進行壓縮，可得到功率為拍瓦(1015 W)量級的亞皮秒(1012 s)超強紫外脈沖，為強場物理