（光学专业论文）高功率钛宝石激光系统热效应的研究.pdf

南开大学学位论文使用授权书 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法，我校的博士、硕士学位 获得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥有在 著作权法规定范围内的学位论文使用权，即：( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论文 ( 包括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位论 文，并编入南开大学博硕士学位论文全文数据库；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将 公开的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师生阅读，在校同网上提供论文目录检 索、文摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务；( 3 ) 根据教育部有关规定，南开大学向 教育部指定单位提交公开的学位论文；( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所和 中国学术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范同的学位论文及其电子版并收入相应学位论文 数据库，通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至校图。f 5 馆网站：h t t p ：2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h t m 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开人学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答 辩；提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权书签署一式两份，由研究生院和图书馆留存。 作者暨授权人签字：王萱 2 0l o 年5 月 日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目高功率钛宝石激光系统热效应的研究 姓名王菁学号 2 1 2 0 0 7 0 1 1 0 答辩日期2 0 1 0 年5 月2 5 日 论文类别博士口 学历硕j _ 硕士专业学位口 高校教师口同等学力硕十口 院系所物理科学学院专业光学 联系电话 0 2 2 2 3 5 0 9 8 5 6e m a i l g r e e n g r a s s 8 4 12 6 c o m 通信地址( 邮编) ：天津市南开区卫津路9 4 号南开大学5 教2 0 8 邮编：3 0 0 0 7 1 备注：是否批准为非公开论文否 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 一 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所 取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包 含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：王萱2 0 1 0 年5 月日 非公开学位论文标注说明 根据南开大学有关规定，非公开学位论文须经指导教师同意、作者本人申 请和相关部门批准方能标注。未经批准的均为公开学位论文，公开学位论文本 说明为空白。 论文题目 申请密级 口限制( 2 年)口秘密( 1 0 年)口机密( 2 0 年) 保密期限 2 0 年 月日至2 0 年 月日 审批表编号批准日期2 0年月日 限制2 年( 最长2 年，可少于2 年) 秘密l o 年( 最跃5 年，可少于5 年) 机密2 0 年( 最长1 0 年，可少于1 0 年) 摘要 摘要 高功率钛宝石激光系统使强场物理以及许多科学研究成为可能，但是随着激光系统能量的 升高，增益晶体的热效应变得越来越明显，这不但会增大脉冲波前畸变，也会对晶体和光 路中的其他光学元件构成威胁，因此研究晶体的热效应已经成为大型激光器设计中的重要 工作之一。 本论文选题来源于国家重点基础研究发展计划( 9 7 3 ) 项目( 2 0 0 7 c b 8 1 5 1 0 0 ) 和 国家自然科学基金委资助项目，旨在研究高功率钛宝石激光系统中热效应的产 生机理及其对输出脉冲空间光斑尺寸和波形的影响，并采用液氮冷却方法对激 光输出进行改造，主要包括对冷却前后晶体温度场和输出脉冲波形的理论分析、 数值模拟和实验探测。具体研究内容、方法和结果如下： 1 、分析了单次脉冲和多重复频率泵浦时的含时热传导方程，并给出了单次 脉冲泵浦下晶体温度场的解析表达式；对几种常见的热效应及其对介质 折射率的影响进行了概述，推导出热效应对光束传输方程影响的具体表 达形式；引入了光线矩阵以表达光学元件和传输介质对光脉冲的影响， 并给出了光束经过光学元件或传输介质的c o l l i n s 衍射公式，为数值模 拟和实验探测提供了理论依据。 2 、通过求解热传导方程计算出了钛宝石晶体温度场随时间空间演化的趋 势，讨论了泵浦光重复频率和能量对热稳定后晶体温度的影响；通过对 带有热效应项的光束传输方程的计算，得出了热效应影响下光脉冲的空 间分布，讨论了输出光束质量( 包括光斑半径、脉冲强度和输出能量) 以 及热透镜焦距随泵浦能量的变化；明确了泵浦脉冲重复频率与晶体热迟 豫时间的关系是热效应是否存在于晶体中的量度。 3 、设计了液氮冷却增益晶体的腔体，探测了3 0 0 k 和7 7 k 下、5 k h z 高功 率泵浦钛宝石晶体的热效应对探测光光斑大小和波前的影响，进而获得 了与数值模拟相同的脉冲光斑随泵浦功率演化的趋势；通过同时测量离 焦量和高阶像差对脉冲的空间尺寸影响对这种演化趋势进行了解释，补 充了热效应引起的高阶像差对脉冲的影响，确定了低温冷却对激光系统 输出质量改善的重要性。 关键词：高功率、激光、钛宝石晶体、热效应 a b s t r a c t a b s t r a c t h i g h - p e a k p o w e rt i ：s a p p h i r el a s e rs y s t e m sp r o v i d eap o w e r f u ld r i v e nf o rh i g h f i e l dp h y s i c sa n do t h e rs c i e n t i f i c e x p e r i m e n t s a st h ee n e r g yo fl a s e rs y s t e m s i n c r e a s e d ，h o w e v e r , t h e r m a le f f e c to fg a i nc r y s t a l sb e c o m em o r ea n dm o r es e r i o u s ， w h i c hn o to n l yd e t e r i o r a t e st h ew a v e f r o n to ft h eo u t p mp u l s e ，b u ti sq u i t ed a n g e r o u s f o rt h ec 巧s m la n do t h e ro p t i c a lc o m p o n e n t sd u r i n gt h ep a t h h e n c e ，n o w a d a y s ，s t u d y o ft h e r m a le f f e c to fg a i nc 巧s t a lt u r n si n t oo n eo ft h em o s ti m p o r t a n tw o r ki nt h e d e s i g no fu l t r a h i g hp o w e rl a s e rs y s t e m s i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，w h i c hi ss u p p o r t e db ym a j o rs t a t eb a s i cr e s e a r c h d e v e l o p m e n tp r o g r a mo fc h i n a ( 9 7 3p r o g r a m ) ( n o 2 0 0 7 c b 8 151o o ) a n dn a t i o n a l n a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a , t h et h e o r e t i c a lm o d e l ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n a n dt h ee x p e r i m e n t a ld e t e c t i o na r es u p p o r t e d ，i no r d e rt os t u d yt h ep r i n c i p l eo f t h e r m a le f f e c ti nt h el a s e rs y s t e ma n dq u a l i t yo fo u t p u tp u l s ei ns p a t i a ld i m e n s i o n , t h e nu s el i q u i dn i t r o g e nc o o l i n gc 巧s m lt oi m p r o v et h el a s e ro u t p u t t h ed e t a i l sa r e d e s c r i b e da sf o l l o w s ： l 、t i m e - d e p e n d e n th e a tt r a n s p o r te q u a t i o ni ns i n g l e s h o ta n dr e p e t i t i v e l y p u l s e dl a s e ro p e r a t i o ni sa n a l y z e d ，t h ea n a l y t i c a ls o l u t i o no fs i n g l e s h o t c o n d i t i o ni sg i v e na sw e l l ；s e v e r a lc o m m o nt h e r m a le f f e c t sa n dt h ec h a n g e o fr e f r a c t i v ei n d e xo fc 巧s t a lc a u s e db yt h e ma r ed e s c r i b e d ，a n db e a m p r o p a g a t i o ne q u a t i o ni n c l u d i n gt h e r m a l e f f e c tt e r mi sa l s o d e d u c e d ； r a y - t r a n s f e rm a t r i xi si n t r o d u c e dt oe x p r e s st h ep u l s et r a n s f o r m a t i o nc a u s e d b yo p t i c a lc o m p o n e n t sa n dm e d i u m ，c o l l i n sr e f r a c t i v ef o r m u l ai si n t r o d u c e d a tt h es a m et i m e t h ew o r km e n t i o n e da b o v ep r o v i d e sa n a l y t i c a lf o u n d a t i o n t on u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h ee x p e r i m e n t a ld e t e c t i o n 2 、t e m p e r a t u r ep r o f i l eo ft i ：s a p p h i r ec 巧s t a li sw o r k e do u tb ys o l v i n gh e a t t r a n s p o r te q u a t i o n ，t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ea f t e rh e a tb a l a n c ed o m i n a t e db y r e p e t i t i o nf r e q u e n c ya n de n e r g yo fp u m pp u l s ei sd i s c u s s e dt h e n ；o nt h e o t h e rh a n d ，s p a t i a ld i s t r i b u t i o no fp u l s ec a u s e db yt h e r m a le f f e c ti so b t a i n e d t h r o u g hs o l v i n gb e a mp r o p a g a t i o ne q u a t i o nw i t ht h e r m a le f f e c tt e r m ，t h e i i r e l a t i o n s h i pb e t w e e nr e p e t i t i o nf r e q u e n c yo fp u m pa n dr e l a xt i m eo fc r y s t a l c o u l dd e c i d ew h e t h e rh e a tw o u l da c c u m u l a t ei ng a i nc r y s t a l 3 、t h ec a v i t yf o rl i q u i dn i t r o g e nc o o l i n gg a i nc r y s t a li sd e s i g n e d ，d i a m e t e ra n d w a v e f r o n to fd e t e c t e dl a s e rw i t ht h e r m a le f f e c ti nd i f f e r e n tp u m pp o w e ri s d e t e c t e du s i n g5 k h zy a gp u m pl a s e r , i nb o t h3 0 0 ka n d7 7 k t h es a m e r e s u l to fd i a m e t e rt e n d e n c yw i t ht h eo n es i m u l a t e di so b t a i n e d ，u s i n g d e f o c u sa n dh i i g ho r d e ra b e r r a t i o n , e s p e c i a l l yc o m a , r e c o r d e df r o ms h s ，t h e r e a s o no ft h et e n d e n c yi se x p l a i n e d t h ew o r ka d d sh i g ho r d e ra b e r r a t i o nt o t h e r m a le f f e c ti n d u c e db yh e a to fp u m pa n dv e r i f i e sl o wt e m p e r a t u r ec o o l i n g c r y s t a li sv e r yi m p o r t a n tf o rh i 。g hp o w e r l a s e rs y s t e ma ta n o t h e ra s p e c t k e yw o r d s ：h i g hp o w e r , l a s e r , t i ：s a p p h i r ec r y s t a l ，t h e r m a le f f e c t i i i 目录 目录 摘要”“”“”“”“”一“”一”“一”“ i v a b s t r a c t i i 目录i v 第一章绪论1 第一节超短超强脉冲激光系统的发展1 1 1 1 啁啾脉冲放火技术的原理及主要应用2 1 1 2 超短超强激光的发展概述- 4 第二节减小高功率钛宝石系统中热效应的研究进展6 1 2 1 曾经使用的减小热效应的方法8 1 2 2 液氮冷却改善高功率钛宝石系统热效应的发展综述9 第三节本论文的研究内容和研究方法1 3 第二章钛宝石激光系统热效应的理论模型1 5 第一节高斯光束1 5 第二节钛宝石晶体温度场的建立1 7 2 2 1 单次脉冲泵浦下晶体温度场的变化1 8 2 2 2 多重复频率脉冲泵浦下晶体温度场的变化1 8 2 2 3 钛宝石晶体的热效应1 9 2 2 4 不同温度下钛宝石晶体中热参数的变化2 l 第三节与热效应有关的光束传输方程的建立2 2 第四节光学元件的光线矩阵和变换方程2 3 2 4 1 光线矩阵和高斯光束变换的a b c d 律2 3 2 4 2 光线传输矩阵对光场空间分布的影响2 5 第五节本章小结2 6 第三章钛宝石激光系统热效应的数值模拟2 7 第一节热传导方程和光束传输方程的数值解法2 7 i v 目录 3 1 1c r a n k n i c h o l s o n 差分算法2 8 3 1 2 应用“追赶法”求解三对角线性方程组2 9 3 1 3 圆柱坐标下热传导方程和光束传输方程的数值解法3 2 第二节热效应影响下钛宝石晶体温度场的变化3 3 3 2 1 有热量积累时热效应对晶体温度场的影响3 4 3 2 2 无热量积累时热效应对晶体温度场的影响3 8 第三节热效应对光束空间分布的影响3 9 3 3 1 热效应对脉冲空间分布的影响4 0 3 3 2 热效应对多通放大器光束输出质量的影响4 2 3 3 3 热透镜焦距近似4 5 第四节钛宝石振荡器和放大系统冷却方案的确定4 6 第五节本章小结4 7 第四章高功率泵浦钛宝石激光系统热效应的实验研究4 8 第一节夏克一哈特曼波前传感器4 8 第二节液氮冷却实验装置的设计和放大器光路的调整5 0 4 2 1 液氮冷却装置的组成和功能5 0 4 2 2 布儒斯特窗口的设计5 l 4 2 3 多通放大光路的调整5 3 第三节热效应对钛宝石系统光束质量影响的实验研究5 5 4 3 1 高重复频率钛宝石系统中热效应对光脉冲空间光斑影响的测量5 6 4 3 2 高重复频率钛宝石系统中热效应对光脉波前影响的测量5 8 第四节本章小结6 0 第五章总结与展望6 1 参考文献6 3 致谢“”“”一“一”“一“”“”“”“”6 6 个人简历在学期间发表的学术论文与研究成果6 8 v 第一章绪论 第一章绪论 1 9 6 0 年m a m a i n 研制成功了第一台红宝石激光器【l j - 2 1 使人类真正进入了 光的时代，激光技术被认为是二十世纪与原子能、半导体及计算机齐名的四项 重大发明之一。激光具有很好的单色性、相干性、方向性和高亮度等特点，因 此在许多领域得到了广泛的应用，例如：激光加工、流场显示、海洋探测、光 电对抗、激光医疗、大气监测、激光通信、谐波变换、x 射线等高能粒子产生和 探测、激光核聚变、激光检测与计量及军用激光技术等，极大地促进了这些领 域的技术进步和前所未有的发展。 随着激光器泵浦能量的不断升高，钛宝石晶体热效应也越来越明显，探索 减小热效应的方法是高功率激光器建设中迫切解决的问题。本章主要对超短超 强脉冲激光系统的发展和减小放大器中热效应的研究进展进行综述，并介绍本 论文研究工作的研究内容。 第一节超短超强脉冲激光系统的发展 纵观这四十多年的发展，主要有以下几方面的里程碑式技术使得激光飞速 发展。 1 9 6 1 年提出了调q 技术( q s w i t c h i n g ) 【3 1 ，随后几乎每年激光器的输出功率 约增加一个数量级。上世纪6 0 年代末7 0 年代初又提出了锁模技术 ( m o d e 1 0 c k i n g ) t4 1 ，开始了短脉冲时代。这期间经过2 0 多年的发展，先后经历了 主动锁模( a p m ) 【5 1 、被动锁模【6 1 、碰撞锁模( c p m ) t 7 1 等。采用锁模技术可以将激光 脉冲由调q 技术产生的纳秒1 0 母s 级缩短到皮秒1 0 1 2s 量级。到上世纪八十年 代中期，由于晶体介质的非性形效应导致的自锁模( s e l f - m o d el o c k i n g ) 技术l l 。8 j 和 啁啾脉冲放大技术( c h i r p e d p u l s ea m p l i f i c a t i o n ) t 9 1 - 【1 0 1 使我们真正步入超短脉冲时 代。采用这种技术后，输出的激光脉宽可以短到飞秒1 0 以5s 量级，脉冲功率可 达太瓦1 0 1 2w 、拍瓦1 0 1 5w 【1 l 】。 采用啁啾脉冲放大技术的激光系统不同于“n o v a ( a tl a w r e n c el i v e r m o r e n a t i o n a ll a b o r a t o r y , u s ao m e g a ( a tu n i v e r s i t yo fr o c h e s t e r , u s a ) 和我国的“神 1 ，。 图j l 单脉冲激光功率在不同时期的增加情况 1 j l 啁瞅脉冲放大技术的原理及主要应用 州观 ， 、，r 南t 第一章绪论 种方法就是所谓的啁啾脉冲( c h i r p e d p u l s ea m p l i f i c a t i o n ，c p a ) 放大技术【l0 。图1 2 为c p a 技术的原理结构图，主要由超短脉冲激光振荡器、基于色散原理的脉冲 展宽器、功率放大器和与展宽器具有相反色散的压缩器四个部分组成，其基本 的工作原理可以通过该图来说明：首先由振荡器产生飞秒量级左右的宽带种子 脉冲，然后通过具有正色散特性的脉冲展宽器使其被展宽为数百皮秒的宽度， 由于展宽后的峰值功率己被大大降低，这样在其再次进入放大器后，激光脉冲 能有效地避免非线性效应、放大饱和效应及元件的光学损伤问题，从而使激光 能量得以充分放大，最后将其通过与展宽器色散特性相反的压缩器，使脉宽复 原到与种子宽度相近的结果，于是就得到了峰值功率被大大提高了的超短超强 激光脉冲。 i r f l i a l , s h o r lp u l s e 图1 2 啁啾脉冲放大激光的原理示意图 目前c p a 技术已成功地用于掺钛蓝宝石激光、钕玻璃激光、二极管激光泵 浦的全固态激光、光纤激光等多类超短脉冲激光器件中。针对应用研究的不同， c p a 激光可分为高重复频率放大器和低重复频率放大器两种。其中高重复频率 多在1 一1 0 k h z 的范围，这类激光一般输出能量有限，峰值功率受泵浦源的限制 3 第一章绪论 不能很高，但所获得的压缩脉宽可做到非常短，并可适用于全固态泵浦、光纤 激光等多种高效率的器件，在超快现象、光通信、精密微纳加工等领域有广泛 的应用，特别是k h z 重复频率泵浦的钛宝石激光的脉宽已被压缩到5 f s 的周期量 级宽度，并成功的用来驱动产生阿秒x 射线激光脉冲。相对而言，低重复频率 的c p a 激光主要用于高峰值功率的产生研究，常用的器件有钕玻璃激光和钛宝 石激光。通常峰值功率与重复频率是成反比关系的，虽然钕玻璃激光能提供更 高的能量，但只能单次运行。常规的超强钛宝石激光的泵浦源采用的是闪光灯 泵浦的倍频5 3 2 n m 激光，因此重复频率可到1 0 h z ，但随着峰值功率的进一步 提高而不得不采用更大能量的钕玻璃激光泵浦时，其重复频率也只能以每隔 2 0 - - 3 0 分钟的单次方式运行。 1 1 2 超短超强激光的发展概述 c p a 技术的发明，打破了激光峰值功率多年来缓慢提高的瓶颈，从而使人 们所能得到的激光峰值功率在十几年的时间里提高了6 7 个数量级一】。迄今基于 c p a 的超短脉冲激光放大研究已成为激光和物理学科领域的一个重要分支。 结合飞秒钛宝石激光技术，国际上也已形成有不少以此类激光为产品的激 光高技术公司。针对超强激光的发展，美国、日本、英国、德国、法国、俄罗 斯、韩国许多国家的多个研究室自1 9 9 0 年前后就开展了采用飞秒钛宝石激光作 种子脉冲的多级放大研究，不久美国利佛摩尔实验室的n o v a 激光、英国卢瑟 福实验室的v u l c a n 激光、日本大阪大学的g e k k o 激光、法国l u l l 实验室的l u l l 激光等玻璃激光装置也相继部分采用c p a 技术开展了产生超高峰值功率的研究 工作，图1 3 的右上部分表示了c p a 钕玻璃激光的发展历史，与长脉冲的同类 激光相比，峰值功率出现了多个量级的提高。 到目前为止，人们所产生的最高峰值功率正是由采用c p a 技术的玻璃激光 器实现的，1 9 9 7 年，美国利佛摩尔实验室通过在n o v a 的一路光束中采用c p a 技术，得到了单脉冲能量6 8 0 j 、脉宽4 4 0 f s 、对应峰值功率1 5 p w 的结果。但是， 钕玻璃激光由于庞大的体积和宽的脉冲宽度， 在实际应用中有很多不便，并 且造价极其昂贵。相比之下，钛宝石激光由于台面结构的尺寸和短的脉宽，不 仅成本较低，而且在物理研究中具有明显的优势，因此也是超强激光研究的主 流方向，目前这类装置输出的最高峰值功率是日本原子能研究院2 0 0 3 年报导的 4 第一章绪论 8 5 0 t w 的结果，但在国际上实际开展强场物理研究的工作中，正常使用的最高 峰值功率基本上在2 0 0 t w 上下，因此结合超强激光物理的应用需求，研制稳定 可靠的百t w 级台面超强激光，仍然是具有重要意义的课题。 我国中科院上海光机所、物理研究所于上世纪末不同程度地开展了c p a 钛 宝石激光的研究，并先后得到2 0 t w 级的输出。2 0 0 4 年，上海光机所和中国工 程物理研究院进一步相继报导1 2 0 t w 和2 8 6 t w 的q g i i i 和s i l e x i 超强钛宝 石激光装置，这也是迄今公开发表的国内同类研究的最高峰值功率结果。表1 1 汇总列出了国内外超强c p a 激光装置的典型特性。 图1 3 钕玻璃激光峰值功率的发展历史图 表1 1 全世界典型超强超短激光脉冲装置参数特性 脉宽重复频能量峰值功率功率密度 装置名称国家状态类型 ( f s ) 率( j )( t w )( w c m 2 ) s n l zp w a t t美国在建 o p c p a | g l a s s 4 4 01p p h1 0 0 02 5 0 0 1 1 0 2 l l l n l p w a t t 美国关闭 t i s n d ：g l a s s 4 4 01p p h6 8 01 2 5 05 1 0 2 0 r a l p w a t t英国在建 o p c p a g l a s s 5 0 01p p h5 0 01 0 0 0 5 x 1 0 2 0 p h e l i x 德国在建 t i n d ：g l a s s 4 5 01 p p h 4 5 01 0 0 05 x1 0 2 0 5 一霪雾。盖_薹夏鼍 一一 第一章绪论 续表1 1 全世界典型超强超短激光脉冲装置参数特性 l u l i 法国在建 t i n d ：g l a s s 3 0 03p p h3 0 01 0 0 01 1 0 2 l p o l a r i s 德国在建 t i ：y b ：g l a s s 1 5 01h z1 5 01 0 0 0 1 1 0 2 1 i l e o s a k a日本 运行 t i s n d ：g l a s s 5 0 0 1 p p h 3 5 07 0 02 1 0 2 0 x l i i i 中国在建 t i ：n d ：g l a s s 3 5 02p p h2 0 06 0 0 4 1 0 2 0 r e n o 美国在建 t i n d ：g l a s s 2 5 02p p h8 03 0 01 1 0 2 0 k a n s a i 日本运行 t i n d ：g l a s s 8 0 03p p h2 56 0 4 1 0 1 8 k a n s a i 日本运行 t i s a p p h i r e 3 33p p h2 88 5 01 1 0 2 l s i l e x i中国运行 t i s a p p h i r e 3 0 3p p h 8 6 2 8 6 1 1 0 2 1 u s p l l n l 美国运行 t i s a p p h i r e 8 01 0p p h1 21 5 04 1 0 2 0 q g 中国运行 t i s a p p h i r e 3 63p p h4 31 2 0 1 1 0 2 0 l o a e n s t a 法国运行 t i s a p p h i r e 2 51 0h z31 0 01 1 0 2 0 u o f m i c h 美国运行 t i s a p p h i r e 3 51 0h z41 0 01 1 0 2 2 f a l c o nl l n l 美国运行 t i s a p p h i r e 6 05 0p p h6l o o1 1 0 2 0 a t l a s德国 运行 t i s a p p h i r e 1 3 06p p h43 52 1 0 9 l e e m a nl b l美国 运行 t i s a p p h i r e 4 01 0h z12 5 1 1 0 1 9 x l i t e i i 中国运行 t i s a p p h i r e 3 l1 0h z0 6 42 01 1 0 1 9 第二节减小高功率钛宝石系统中热效应的研究进展 随着激光器泵浦能量的不断升高，钛宝石晶体热效应也越来越明显，热效 应产生的主要原因是泵浦光与信号光之间存在能量亏损，如图1 4 所示。从图中 可以看出，在钛离子的四能级结构中，电子吸收泵浦光光子由能级1 跃迁到上 能级4 ，由于能级4 的寿命极短，电子很快通过无辐射跃迁的形式跃迁到亚稳态 能级3 ，在能级3 的寿命之内，当种子光注入时，电子跃迁至能级2 ，并以激光 的形式释放出与种子光频率相同的光子，随后电子又以无辐射跃迁的形式回到 基态。其间两次无辐射跃迁产生的能量就以热量的形式残留在晶体中。 6 第一章绪论 4 泵浦光 图1 4 钛宝石晶体热量产生示意图 很多实验结果表明，钛宝石晶体的热效应可以引起光脉冲波前的畸变。这 种畸变不但会改变激光的空间分布，而且会引起激光脉冲聚焦能力的下降，从 而影响激光强度的提高，难以满足强场物理实验的对光束质量和激光强度的要 求。因此，探索减小热效应的方法是高功率激光器建设中迫切解决的问题。本 节将介绍几种前人研究过的减小热效应的方法以及应用液氮冷却改善放大器热 效应的研究进展。 1 2 1 曾经使用的减小热效应的方法 过去，研究者们使用了很多方法去减小他们激光系统中的热效应。本小节将 介绍几种典型的机制，以更加深入地了解这一机制。 在激光腔中，最直接地消除或减小热效应的方法是在光束通过的路径中引入 发散透镜以补偿晶体产生的正的或汇聚热透镜。基于热透镜的多种多样的机制 和较宽的范围，固定焦距的被动光学元件不能补偿入射泵浦能量产生的热效应。 此外，这种光学元素将在每一次通过晶体时都引起光束直径的变化，这样就增 加了激光光束中模式的畸变。 早在1 9 9 8 年，s a l i nf 等人就引入了热本征模式放大器的概斜b 】。多通热累 积放大器等效于一系列间距为的透镜，这个距离相当于腔内光束运行一圈所走 的路程。一个晶体位于中央、具有曲率半径为2 f 。一的球形腔镜开放的谐振腔等 效于一系列间隔焦距为丘一的透镜。这个谐振腔的本征模式经过每一个环路 以后都会重建，这个模式可以用傍轴的高斯成熟传输关系计算出来。这样，多 通系统就等效于每次放大之后，光束都要在它本身的基础上重新成像。如果入 7 第一章绪论 射脉冲与谐振腔的本征模式具有相同的尺寸和特性，那么放大后的输出特性就 与产生放大的衍射极限脉冲的入射脉冲相类似了。当入射泵浦功率恒定时，以 上所述假设成立，因为这个参数中的任何改变都会由于改变了三而引起焦距的改 变。这个结论还是基于增益晶体是圆柱体的假设之下，在这种情况下，热透镜 通过整个泵浦光束直径时几乎是球形的，每个连续的通道之间的距离也是一个 常数。他们用以布儒斯特角切割的晶体代替圆柱型晶体产生了非球形透镜，然 后准确地计算热本征模式也变得比较困难了。 2 0 0 0 年，m a c d o n a l d 等人在半导体泵浦的n d ：y a g 激光器中使用多重合成 棒地方法减小热透镜效剧m 】。这些增益棒具有非掺杂的端部，以带走部分由于 激光棒端部弯曲而带来的热透镜效应。 2 0 0 4 年，由于考虑到积累在钛宝石晶体棒上强烈的热效应，z h a v o r o n k o 和 k o m 将三镜非准直再生放大腔中3 c m 钛宝石晶体用热电的方法冷却到2 1 0 k 【i 引。 单级数千焦耳激光器可以产生平均功率6 5 w 重复频率2 0 k h z 的放大输出。当得 到高输出功率时，热常数和热光常数与室温下没有很明显的差别，就像输出光 束中出现高阶空间畸变一样。 2 0 0 5 年，z h o ux 等人在再生放大腔之后用两通放大机制以避免单次放大系 统产生的大的热量积累【1 6 】。他们能产生平均功率为7 w 、重复频率5 k h z 的放大 打输出。虽然，他们能够解决其c p a 系统的热积累问题，处理多通放大器系统 仍然感到很头疼。 在高功率连续n d ：y a g 激光系统中经常用到的消除热透镜的方法也可以用 在高重复频率单级系统中以补偿热透镜效应【1 7 。1 剐。其方法是利用热光自补偿( 或 称自适应) 的方法来补偿随泵浦能量变化的热透镜效应。这个机制本质上是运用 了自适应光学系统例如，激光腔内自调节透镜来补偿每一级放大后的 激光光束。将一种负热色散系数的材料置于谐振腔内，它产生的随功率变化的 热透镜可以补偿激光增益晶体中由于温度梯度引起的正的d n d t 的变化。t h g r a f 等人于2 0 0 1 年首次成功地利用自适应负热透镜去补偿横向半导体泵浦的 n d ：y a g 激光棒的正热透镜【l7 1 。补偿元素必须吸收很小部分激光入射能量，因 此需要拥有强的热色散d n d t 去有效地补偿正的d n d t 。这种技术还被m u e l l e r 等人进一步发展，用于矫正热导致的光学路径长度的变化【l 引，这种变化是由诸 如电光调制、法拉第旋转器和重力波干涉仪的透射光学元件的吸收引起的。 8 第一章绪论 1 2 2 液氮冷却改善高功率钛宝石系统热效应的发展综述 综合上- d , 节介绍的方法，最有效且方便的减小啁啾脉冲放大系统中钛宝石 晶体热效应的途径是将晶体温度降低到7 7 k ，即使用液氮冷却增益晶体。与热效 应有关的晶体的热导率和折射率梯度都随温度有明显的变化，如图1 5 所示。 刍 - 鲁 毫 鼍 ；- i；， a ；_ - 。 。一 7 i ， ， o ；- 一 v s o1 0 0l s n 2 0 02 5 03 0 03 9 04 0 04 5 0 5 0 0 t e m p e r a t u r e 。k t e m e p e r a t u r eo k 图1 5 钛宝石晶体温度的折射率梯度( a ) 和热导率( b ) 随温度变化曲线 科学家们对液氮冷却钛宝石晶体的研究早在二十世纪八十年代就已经展开 了。1 9 8 6 年，麻省理工学院的p f m o u l t o n 报道了他们理论分析将连续输出的钛 宝石激光器冷却至t j 7 7 k ，输出的功率和常温下相比增加了3 3 倍【2 。真正在实验 上首次提出用液氮冷却钛宝石激光器的报道出自m i t 林肯实验室的p a s c h u l z 等科学家，发表在1 9 9 1 年的j q u a n t u me l e c t r o n 上【2 2 1 。文章说当将钛宝石晶体的 温度从3 0 0 k 降低至i j 7 7 k 时，它的热导率增加了3 0 倍，热弹性系数降低了1 5 倍，而 热光系数d n d t 降低了几乎7 倍。作者们得到了3 5 0 w 的单模脉冲输出，同时证 明当温度降到接近9 3 k 时，热光畸变降低了两个多数量级。输出效率由2 4 0 k 时的 6 上升到9 3 k 时的2 5 ，如图1 6 所示。 9 8 6 r 2 0 冀6 4 2 0蝴慵“似蝴妣躺 o o o 0 o o o 0 o 鳓枷撕吣撇勰姗 ：馨主、，誊；=o暑l-茎o 第一章绪论 p u m pe n e r g ya t5 3 2n ml 盯u ) 图1 6 文献【2 2 】中钛宝石激光器输出效率随晶体温度的变化曲线 后来，人们发现高功率钛宝石激光器中主要的热效应还是发生在放大器部 分，于是相关报道接踵而至：19 9 7 年，密歇根大学的s b a c k u s 等人报道了0 2 t w 、 l k h z 、4 m j 的能量输出，他们用液氮冷却晶体至1 2 5 k 消除了系统的热透镜效应 【2 3 1 。2 0 0 1 年，科罗拉多大学的s b a c k u s 等人在环形多路放大器中加入液氮冷却 装置，实现了从泵浦光到超短脉冲的2 6 高转化率和热效应的补偿。文章称，将 钛宝石晶体从3 0 0 k 冷却至7 7 k ，热透镜距离增加y s o o 倍【2 4 】。其光路图和输出结 果如图1 7 所示。 1 0 第一章绪论 图1 7 文献 2 4 1 q u 钛宝石激光器光路和输出示意图 在理论上，2 0 0 3 年，r u n el a u s t e n 等人计算了激光放大器中增益晶体的热效 应，推导出晶体内温度场分布，并给出了热透镜、空间畸变随轴向位置的变化 趋势和热透镜距离与泵浦光重复频率以及脉冲能量的关系曲线，对先前所测量 的热效应现象进行验证，同时对更高能量的热效应起了预测作用睇川。 随着脉冲功率的进一步增加，低重复频率，如1 0 h z 的激光器也被人们在放 大级中加入了液氮冷却装置。2 0 0 2 年，法国科学家m p i t t m a n 等人在钛宝石激光 器的末级放大中加入液氮冷却装置，改善了光束质量并提高了能量输出1 2 州。其 末级放大示意图以及常温下和液氮下的光斑比较图如图1 8 和1 9 所示。 图1 8 文献【2 6 】中加入冷却装置的末级放大光路图 ，汀 抚 ： 。 量 豢 。 蓦二 轼 般 疆 第一章绪论 c r y o g e n i cc o o l e dc r y s t a 图1 9 文献【2 6 】中常温下和液氮温度下光斑质量和输出能量的比较 2 0 0 8 年和2 0 0 9 年，日本原子能研究所的h i r o m i t s uk i r i y a m a 等科学家连续报 道了两篇分别在高功率放大器d o j j n 入液氮冷却装置使钛宝石晶体的热透镜焦距 达蛰j 4 k m ，从而可以忽略热透镜效应对光束的影响【2 7 - 2 8 1 ，获得了很好的远场的光 斑