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百焦耳激光器及高能高功率受激布里渊散射相位共轭研究

王雨雷  
【摘要】: 受激布里渊散射(SBS)技术在高能高功率激光器中有着很为广阔的应用前景。在双程或多程放大器中,利用SBS相位共轭技术可以实时补偿激光放大器和放大光路中的动态和静态波前畸变,从而改善高能高功率激光器的输出光束质量。在以往的研究中,SBS相位共轭镜的注入能量相对较低,无法满足大型的高能高功率激光系统的应用要求。本文对高能高功率的受激布里渊散射相位共轭特性进行了较为系统的研究,并为高能高功率激光系统中应用SBS相位共轭镜提出了设计方法。 本论文主要分为三大部分:百焦耳级高能高功率激光系统的设计和建设;高能高功率SBS相位共轭特性的研究;高能高功率SBS相位共轭镜的设计方法。 百焦耳级磷酸盐钕玻璃高功率激光系统是为高能高功率大口径的受激布里渊散射相位共轭实验而研制的大型激光系统。本文详细论述了这套输出能量在100J量级的高能高功率激光系统的研制过程,仔细设计了4f像传递空间滤波器。对整个装置的放大增益进行了理论模拟,使用两个双程钕玻璃放大器和一个助推放大器,在脉冲宽度为20ns时得到了平均能量为105.6J的输出,能量输出稳定性为6%;在脉冲宽度为1ns时得到了大于10J的能量输出。输出激光光束的时间波形光滑,近场光斑强度分布均匀,远场发散角为0.7mrad。 高能高功率SBS相位共轭特性的研究分为理论和实验两部分。理论研究是从受激布里渊散射过程的泵浦场、斯托克斯场和声子场相互作用的耦合波方程组出发,在时间上采用隐式有限差分法,在空间上采用后向差分法,对耦合波方程组离散化,对高能高功率泵浦时,单池和双池两种受激布里渊散射相位共轭镜结构的能量反射率、相位共轭保真度和时间波形随结构参数和介质参数的变化规律进行了数值模拟,得到了这些参量之间的变化规律,为实验分析和高能高功率SBS相位共轭镜结构的设计提供了理论依据。实验研究了单池结构和双池结构大口径高能高功率的SBS相位共轭特性,在单池时,研究了泵浦能量对能量反射率和远场相位共轭保真度及其稳定性的影响;在双池时,研究了放大抽运光和种子抽运光的能量比对双池能量提取效率和相位共轭保真度的影响。 高能高功率SBS相位共轭镜比低能量的共轭镜结构要复杂。本论文根据理论和实验的研究结果,提出了高能高功率SBS相位共轭镜的设计方法。SBS相位共轭镜包括共轭镜几何结构的设计、SBS介质池的设计、SBS介质的选取等。在文中针对高能高功率激光系统中SBS相位共轭镜的使用要求,提出了一种可以用于双程激光放大的相位共轭镜结构,这种结构比传统的独立双池结构具有更高的效率,并且,使用这种结构可以同时进行相位共轭和脉宽压缩的实验;给出了大口径、大容积SBS介质池的设计方法;根据理论和实验的研究结果,提出了SBS介质的选取原则;提出了高能高功率激光系统中应用SBS相位共轭镜时应遵循的要求,这些要求也同样适用于普通的SBS相位共轭镜。


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