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板条激光放大器相干合成技术研究

李霄  
【摘要】:近年来,高亮度固体激光技术领域出现了重大突破,涌现出薄片激光器、光纤激光器、波导激光器和板条激光器等一大批新颖的方案与理念。然而,受限于非线性效应及热效应,单口径输出的固体激光器功率及光束质量水平始终有其上限。相干合成技术能够在保证光束质量的同时扩展系统功率,是现阶段实现高能固体激光器的有效途径。板条激光放大器在高功率、单频和大能量脉冲等领域有着巨大的应用潜力,对板条激光放大器相干合成技术进行研究,有着重要的现实意义和广阔的发展前景。论文建立了一套百瓦级两路板条激光放大器相干合成系统,从理论、实验和仿真三方面对板条激光放大器相干合成技术进行了较为全面的研究,讨论了板条激光放大器相干合成系统中的影响因素,为解决高能固体激光器功率扩展问题提供了参考和建议。 论文研究了相干合成系统的理论模型并进行了实验验证。构造了基于板条激光器的相干合成系统模型,描述了其组成部分、计算方式和评价标准;介绍了多抖动法和随机并行梯度下降法(SPGD)等主动锁相技术的工作机理,提出了双随机逼近法(DSAL)这一全新的最优化算法,并在低功率平台下对这些主动锁相方法和相互注入被动锁相技术进行了验证。讨论了相干合成系统中光源特性、组成结构和发射方式等因素对合成效果的影响。 进一步,研制了不同结构的传导冷却端面泵浦板条激光(CCEPSL)模块并搭建了相应的四程激光放大器。完成了自研CCEPSL模块的结构设计及性能检测,实现了百瓦级板条激光振荡器;通过测量和仿真,发现模块中的端头吸收和边缘冷却是引起波前畸变的主要来源,并根据这一结果提出了相应的解决方案,指导了模块的改进工作;设计并实现了基于三组不同模块的四程板条激光放大器,获得了最高功率71.2W的连续激光和67.5W的脉冲激光;最终得到了单路平均功率超过50W,光束质量在2倍衍射极限以内的线偏、单频、连续激光放大输出。 实现了百瓦量级两路板条激光放大器的相干合成。采用多抖动法和SPGD法进行了两路板条激光放大器的主动锁相相干合成,获得了平均功率约102W的合成激光输出,远场峰值的平均功率最高提升至锁相前的1.7倍,长曝光条纹对比度约87%,验证了多抖动法和SPGD法在高能板条激光放大器相干合成系统中的应用;结合实验研究了算法收敛速度、拼接占空比和单元光束质量对相干合成系统远场能量集中度的影响。 在上述工作基础上,建立了高能板条激光放大器相干合成系统的数值仿真模型。通过Zernike多项式法模拟了单路高能板条激光器内的波前畸变,将相干合成系统中锁相控制残差、拼接倾斜误差及波前校正残差统一表现为Zernike多项式系数组的分布函数,对多路板条激光放大器相干合成系统进行了仿真。结果表明,相干合成系统的光束质量受单元激光器的低阶像差影响较大。 最后,围绕主振荡-功放(MOPA)结构板条激光器的相干合成系统进行了应用探索研究。在单链激光应用方面,采用相干合成系统中的一条MOPA结构放大链路进行了连续单频激光的中波红外光参量振荡器实验,获得了最高约7.2W的中红外连续激光输出,揭示了MOPA结构相干合成系统在非线性频率变换领域的应用前景。在系统合成方面,通过对基频光进行相位控制,首次实现了倍频激光的主动锁相相干合成,拓展了相干合成技术的适用范围,为实现高亮度倍频激光器提供了一条新的途径。


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