（光学专业论文）高功率啁啾脉冲在光纤中的非线性传输为.pdf

摘 要 i 摘 要 摘 要 本论文的研究工作主要受到国家自然科学基金 高功率啁啾脉冲在单模光纤 中的非线性传输特性研究及 863 面上基金项目超大模场高功率光纤宽带传输 与放大技术研究的资助。 新型高功率激光前端系统是我国为研究惯性约束核聚变而开发的新一代高 功率激光器系统的重要组成部分之一， 前端系统的主要功能是为后续系统提供具 有一定能量和脉冲宽度且可以任意整形的激光脉冲。在整形方案中，为了减小整 形脉冲因基元脉冲间的干涉而出现的调制结构， 前端系统的方案之一是采用啁啾 脉冲堆积的技术，同时为了提高整个系统的稳定性，其采用了全固化、全光纤的 设计的方案。单模光纤的有效应纤芯截面很小，脉冲在光纤中传输时，光纤中的 能量密度会很大，致使高功率状态下光纤中的非线性效应非常的明显，从而引起 脉冲发生形变， 因此研究啁啾基元高斯脉冲在光纤中的非线性传输行为对整个系 统的研发具有非常重要的指导意义。本论文主要研究了中心波长为 1053nm、脉 冲宽度为 100ps、光谱宽度为 1.2nm、峰值功率为 kw 量级的啁啾高斯脉冲在光纤 中传输时色散和非线性效应对脉冲的影响。 本论文主要的研究工作包括： 1. 采用广义的非线性薛定谔方程及对称分步傅立叶算法，模拟分析了传 输过程中色散和非线性效应对脉冲时域和频域特性的影响。分析主要 集中在脉冲峰值功率 kw 量级的高功率激光系统。 2. 给出了啁啾脉冲的色散升序表达式并验证其合理性。当啁啾脉冲在光 纤中传输时，色散对其的影响与入射脉冲的初始啁啾有关，而且在研 究中发现在无啁啾情况下定义的色散长度并不能准确的反映出色散 对啁啾脉冲的影响程度，为此,我们对啁啾脉冲的色散重新定义。 3. 定义了用于衡量传输过程中脉冲形变程度的脉冲形变因子，定量地研 究了中心波长为 1053nm、功率为 kw 量级的啁啾高斯脉冲在单模光纤 中传输时，传输长度、初始脉冲功率及初始啁啾对脉冲形变的影响。 同时还模拟分析了入射功率对脉冲光谱的影响。 本论文的创新型成果为： 1. 数值分析了初始啁啾对色散的影响，提出了用于衡量啁啾脉冲受色散 影响程度的色散长度 ldc， 为理论和工程设计时估算色散对脉冲的影响 程度提供依据。 2. 定义了用于衡量脉冲形变大小的脉冲形变因子，模拟分析了 100ps 啁 啾高斯脉冲在单模光纤中传输时，脉冲形变因子、初始啁啾、传输长 摘 要 ii 度等之间的关系。结果表明：在相同的输入功率条件下，与负啁啾脉 冲和无啁啾脉冲相比，正啁啾脉冲在传输过程中产生的形变最小；在 脉冲的初始啁啾一定时，临界长度随着入射功率的增加而降低，且随 着功率的增大，初始啁啾不同的入射脉冲的临界长度趋于一致；在传 输距离一定时，临界功率和初始啁啾成线性关系，且正啁啾脉冲的临 界功率受啁啾变化的影响较大。研究表明：在实际应用中，在形变范 围内，为了使传输功率尽可能的大，我们应采用正啁啾脉冲。模拟分 析了脉冲光谱随输入功率的变化关系，指出在入射脉冲的峰值功率较 大时，脉冲的光谱宽度随着输入功率约呈线性变化。 关键词：关键词：高功率啁啾高斯脉冲，非线性效应，色散，脉冲展宽因子，脉冲形 变因子，光谱展宽因子 abstract iii abstract the research work in this thesis is supported by the national natural science foundation of china “nonlinear transmission characteristics of high-power chirped stacked pulses in single-mode fibers” and 863 project “propagation and amplification of super large-mode-area high power broadband pulse”. the novel high power laser front-end system is an important part of the new high power laser system of china, which aims for the inertial confinement fusion(icf). it is composed of main oscillator and power amplifiers and should provide arbitrary shaping pulse for the subsequent systems. the front-end system adopts the technology of chirped pulse stacking to reduce the modulation of the stacking pulse arising from the interference of the contiguous unit pulse, meanwhile uses the all-solid, all-fiber structure to improve the stability of the whole systems. in the single-mode fiber, the nonlinear effect is obvious because of the large energy density in the small core area and makes the pulse distorted, so it is important to study the nonlinear transmission characteristics of the gaussian pulse. in this thesis, we mainly study the nonlinear transmission characteristics of gaussian pulse whose center wavelength is 1053nm, fwhm is 100ps, spectrum bandwidth is 1.2nm, peak power is several kw. the major results in the thesis are as followings: 1. in our study, we adopt general nonlinear schrdinger equation to study the influence of dispersion and nonlinear effects on the pulse, and mainly analyze the pulses with the peak power of several kw which is output by the high power laser systems. 2. we give the dispersion length of the chirped pulse and validate its correctness. when chirped pulse pulses propagate in fiber, the influence of the dispersion on the pulse is related to the initial chirp of the pulse, and we find that the dispersion length which is defined under fourier transform limit pulse cannot evaluate the influence of the dispersion on the chirped pulse, so we redefine the dispersion length to evaluate the influence of the dispersion on the chirped pulse. 3. we define the factor of distortion to evaluate the distortion of the pulse, numerically simulate and analyze the relations among the factor of distortion, critical length of propagation, critical power of the pulse and initial chirp of the pulse when second-order dispersion and nonlinear effect is considered. we simulate and analyze the influence of peak power of input pulse on the pulse spectrum. abstract iv the innovative results in this thesis are as followings: 1. we simulate the relation between initial chirp and dispersion, advance the dispersion length of the chirped pulse ldc to evaluate the influence of dispersion on the chirped pulse, and provide a scientific basis for evaluating the influence of the of dispersion in theory and engineering. 2. we define factor of distortion to evaluate the distortion of the pulse, simulate and analyze the relations among factor of distortion, initial chirp and length of propagation. the results show: the distortion of the positive chirped pulse is less than that of the negative chirped pulse and fourier transform limit pulse when the peak power of the input pulses is the same; critical length decreases along with the input power increasing; for specified propagation length, critical power is linear with the initial chirp, compared with the negative chirped pulse , positive pulses are more sensitive to be affected by the fluctuation of the chirp; simulate and analyze the relations between peak power of the input pulse and spectrum width, point out that the spectral width is linear with input power when the input power is high. keyword: high power chirped gaussian pulse, nonlinear effect, dispersion, broadening factor of pulse, factor of distortion, spectral broadening factor 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人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 成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或 撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作 了明确的说明。 作者签名：_ 签字日期：_ 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学 拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅， 可以将学位论文编入 中 国学位论文全文数据库等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 公开 保密（_年） 作者签名：_ 导师签名：_ 签字日期：_ 签字日期：_ 第一章 绪论 1 第一章 绪论 第一章 绪论 新型高功率激光前端系统1-2是我国为了研究激光约束核聚变而开发的新 一代大型高功率激光聚变驱动器的重要组成部分。 高功率前端系统是驱动装置的 源，是整个系统成败的关键，其采用全固化、全光纤的技术方案，以便提高系统 的稳定性和可靠性3。其输出的脉冲，无论是 ps 级激光脉冲还是 ns 级脉冲都 是啁啾脉冲， 且同由于这些啁啾脉冲在光纤中传输时经光纤放大器放大获得了非 常高的峰值功率，可达 kw 甚至 mw 量级。如此大功率的脉冲在光纤中传输时，势 必会引起高阶非线性效应，而这此非线性效应可能会引起脉冲时间波形的畸变、 传输能量效率下降及光纤和其它器件的损伤等。因此，系统的研究高功率啁啾脉 冲在单模光纤中的非线性传输特性是非常必要的， 研究成果将为我国新型高功率 激光装置前端系统的建设提供理论指导和依据。 首先介绍了在能源危机背景下研究激光惯性约束核聚变的必要性； 接着介绍 了可控核聚变的原理及其对高能激光前端输出脉冲的要求； 然后介绍了国内外关 于高功率脉冲在光纤中传输的非线性研究的现状，比较我们现在的实际工程需 要，指出需要研究的物理问题，以及本文工作的重要理论和现实意义。最后对学 位论文的内容结构给出说明。 1.1 可控约束核聚变及高功率激光前端系统简介 随着社会经济的发展和对能源需求量的增加，能源问题也越来起突出，成为 制约经济社会发展的一个关键因素4-10。 由图 1 的能源需求与供给的关系我们 可以看出，随着时间的推移，化石燃料的需求和供应的缺口会越来越大，且由于 化石燃料的储量有限，其终有枯竭的一天。而且自工业革命以来，由于化石燃料 的大量使用，碳化物的过量排放，也给我们带来了很严重的环境问题。为了保证 人类文明的延续和发展，寻找可替代化石燃料的新型清洁能源已经迫在眉睫。 核能作为一种比传统化石能源更加洁净的能源，不产生污染环境的硫、碳氧 化物等，因此合理的利用核能可以有效应的解决日益紧迫的能源危机11,12， 缓解日益严重的环境问题13。为此世界各国都在积极开展和平开发核能的活 动，核电站也遍布世界各地，在法国，80%的发电量来自于核电，而我国的核电 发电量仅占全国总发电量的 2%。这些核电站可以为我们提供大量的廉价的能量， 且在无特殊事故的情况下，这是一种安静且对大气无污染的能源14,15。但是 现有核电站由于采用核裂变技术，一旦发生核泄漏,将对人和环境造成危害，并 第一章 绪论 2 且核裂变后产生的核废料具有很强的放射性， 对核废料的处理要求苛刻16-18。 同时裂变所需要铀 235 等在地球上的含量也较少，据世界能源组织估计，也仅够 维持数百年之用。这意味着放下裂变能源的洁净问题不说，单从燃料的含量角度 来说，裂变能也不能满足人类对能源的需求。人类迫切需要寻找新的能源和获取 能量的新技术。 图 1.1图 1.1 化石能源供需关系图 受控热核聚变能的实现将会从根本上解决人类社会的能源问题， 是新一代能 源解决方案的典型代表19-23。实现核聚变的最好的燃料是氘和氚，这两种无 素是氢的同位素，在地球上含量非常丰富，氘和氚燃烧后，其聚变产物是惰性物 质氦，对环境没有任何污染。这样，人类不但解决了能量的来源问题，而且能源 的洁净问题也得到了解决。 聚变所用的重要燃料氘在海水中储量可达 45 万亿吨， 足够人类使用 60 亿年。故从 20 世纪中页以来，人类对核聚变的研究孜孜以求。 早在 1938 年，人们就发现了核聚变，但近一个世纪以来，受控聚变迟迟没有实 现有益的能量输出， 这主要是因为轻元素原子核的聚合远比重元素原子核的分裂 困难的多。由于参加聚变反应的原子核都带正电，即彼此间相互排斥，只有当两 个原子核之间的距离达到 10 -15量级的时候它们之间的引力才会大于静电斥力， 实现聚合并释放出大量的能量，这需要高温高压的苛刻条件24-26。根据劳逊 判据27，实现的唯一可行方法就是把靶丸的燃料（氘、氚等）加热到几千万度 至上亿度，从而产生高温等离子体，并使其维持足够长的时间以使靶丸中燃料获 取足够的聚变能。 反过说， 只要我们把温度降低到一定程度， 聚变就会自动停止， 不会发生爆炸，无需担心失控，是一种真正无限、清洁、成本低廉和安全可靠的 新能源。而且研究聚变问题对于维护国家安全、推进基础科学的发展都有重要的 意义。 第一章 绪论 3 1.1.1 可控约束核聚变简介 目前在实验室里研究可控核聚变主要采用磁约束（magnetic confinement fusion,mfc）核聚变28和惯性约束（inertial confinement fusion,icf）核 聚变29两种方法,其按能量输运驱动烧蚀过程的不同 icf 又分为： 直接驱动 icf 和间接驱动 icf 两个种实现方式30-32。 磁约束核聚变主要通过强磁场将低密度、 高温度的等离子体约束足够长时间 以使氘氚等离子体达到聚变条件。经过几代科学家的努力，目前的磁约束实验装 置已经分别可以将较低温度，低密度的等离子体加热，但是如何使约束实验装置 中的等离子体在实现长约束时间的同时也达到核聚变反应所需要的高温， 目前仍 是一个极大的难题。 惯性约束核聚变的基本思想是：利用激光或离子束作为驱动源，脉冲式的提 供高强度能量， 均匀地作用于装填氘氚燃料的微型球状靶丸外壳表面形成高温等 离子体，利用反冲压力，使靶的外壳极快的向心运动，压缩氘氚主燃料层到每立 方厘米几百克质量的极高密度，并使局部氘氚区域形成高温高密度热斑，达到点 火条件。驱动脉冲宽度为纳秒，在高温高密度热核燃料来不及飞散之前进行充分 热核燃烧，放出大量聚变能33,34。虽然惯性约束核聚变的驱动源可以是强激 光、电子束、离子束等，但由于目前惯性约束核聚变所用的驱动器都是激光器， 所以惯性约束核聚变后也被称为“激光驱动核聚变”35。 要想实现核聚变必须满足劳逊判据， 即同时达到高温(10kev)和高密度(200g cm -3)的条件36,37。在这样的条件下，等离子体内部的压强是大气压的 1012倍， 这个压强比激光直接辐照靶丸表面所可能产生的最大光压还大 4 个数量级， 这个 困难只能通过对核聚变靶丸的特殊设计来克服。 最简单的设计就是一个空心靶丸 37，其外壳由适当材料组成，使其在激光辐照下有较好的逆韧致吸收性能。热 核燃料装在空心靶丸内，高功率激光束在辐照靶丸外表面的同时，也加热了靶丸 的表面，靶丸表面的电子吸收激光能量加热后迅速将能量传给其它的电子和离 子，从而造成表面的快速升温并形成冲击波38-40。同时，消融表面产生的高 温、高压等离子体快速向外膨胀，由于动量守恒产生对靶面的反冲压强消融 压(ablation pressure)要比作用在靶表面的光压大 1 万倍以上。这样巨大的压 强会使靶丸表面出现烧蚀、膨胀、爆炸。当靶壳发生爆炸时，会产生极强的向心 冲击波和 x 射线光辐射，从而实现对燃料进行高度压缩，并使其达到热核反应所 需要的高温和高压。激光核聚变的具体作用过程41如图 1.2 所示，可以简单的 描述为下面四个过程： 1. 加热：激光驱动系统出射的激光脉冲先经分束器分束成强度完全相同的多束 光，接着经过放大器放大，再从不同的方向聚焦在由一定比例的氘氚混合物 第一章 绪论 4 封装组成的靶丸处，使靶丸受到光束的均匀辐照。 2. 压缩：在高能激光的作用下，靶丸表面在极短时间内电离消融，产生包围靶 丸的高温等离子体。包围靶丸的等离子体层迅速膨胀并向外喷射，剥落的等 离子体的速度一般为 1000 km/s，根据牛顿第三定律，靶丸受到的反冲压力 高达 10 8大气压，推力约为航天飞机的 100 倍；并且在此过程中，脉冲的强 度达到最大值，确保能量的充分利用； 3. 点火：靶心燃料被压缩到 20 倍铅密度，并在 10 8度高温下点火，这一过程在 十亿分之一秒的量级内完成，因而对约束时间提出了很高的要求； 4. 燃烧：发生热核爆炸并迅速扩展到整个燃料区域，释放出大于输入能量数倍 的聚变能。在一个运行的聚变反应堆中，反应产生的中子会高速逃离燃料， 在反应堆室内壁可以设置诸如锂、石墨之类的物质作为减速剂，中子与减速 剂不断碰撞并减速，从而以热能的形式将动能传递给减速剂，然后经过热交 换器将能量输出发电。 图 1.2 图 1.2 惯性约束核聚变的作用原理 由图 1.2 可知：由于约束时间极短且对脉冲形状的要求非常高“海豹” 形脉冲（脉冲形状和激光与等离体相互作用的等熵线形状相同）42，根据劳逊 判据，激光功率需要很大才能达到惯性约束核聚变的点火要求24,而我国的驱 动系统又是采用全固化、全光纤的结构3，因此，为保证后端实验的成功，研 究高功率激光脉冲在光纤中的传输特性是非常必要的。 1.1.2 高功率激光器及前端系统的发展 第一章 绪论 5 自从 20 世纪 60 年代初激光器问世以后，中、美、日、前苏联等国即着手激 光驱动 icf 的研究， 半个多世纪以来 icf 研究虽然已在世界范围内取得了重要进 展43-48，但目前仍处于科学上的可行性研究阶段，即掌握 icf 主要环节的靶 物理规律，实现实验室演示点火目标。为此需要驱动器（高功率、高能量、能出 射任意整形脉冲的激光器） 、靶物理理论和实验、精密诊断设备、靶的制备五个 方面协调研究发展。究竟需要多少驱动能量才能达到点火和能量增益呢？20 世 纪 80 年代中，美国利用地下核爆的少部分 x 光作为驱动源照射氘氚靶丸表面， 成功地实现了具有近百倍能量增益的聚变反应，而且实验结果和 lasnex 程序计 算相符，从而证实了 icf 的科学可行性，也明确了需要有几个纳秒脉宽、兆焦耳 级的驱动能量才能满足要求。icf 前端系统作为高功率激光聚变驱动器的“种子 光源” ，其主要功能是为后续系统提供一个或数个波长为 1053nm、具有适当脉冲 宽度或脉冲形状的，并具有一定能量、光谱带宽、高信噪比和高光束质量的激光 脉冲。下面主要介绍美、法日等国以及我国的激光驱动器的研究发展情况。 国际上自开始为惯性约束核聚变开发高功率激光系统以来， 激光器系统都采 用 mopa（master oscillator power amplification）49的复杂结构以满足对 激光聚变驱动器的苛刻要求。 高功率激光聚变驱动器前端系统的开发大体上可分 为两个阶段。在 1995 年之前，各国开民的聚变驱动器前端系统大都采用传统的 桌面光路型的固体激光器系统。 这种系统需要非常稳定和复杂的机械结构和苛刻 的环境条件，以保证其稳定性和可靠性，同时系统的布局和稳定性受到分束系统 的约束和影响，而且这种结构的前端系统一般只能输出固定的脉冲形状，不能满 足物理实验对任意整形脉冲形状的要求50,51。1995 年后，随着激光聚变驱动 器的发展和光纤光波导技术的进步，为了适应新的需求，结合光纤光波导技术和 器件的发展，新的高功率驱动器大都采用了全光纤的全固化系统方案，这种系统 具有技术先进、功能全、指标高、可编程控制、分束可靠、光纤传输灵活稳定、 系统稳定可靠、体积小、对环境无特殊要求等优点52,53。 从 1975 年至今，世界各国为研究激光约束核聚变已开发了多套高功率激光 驱动系统：美国劳伦斯立费尔国家实验室（llnl）已建立了 janus54、shiva、 nova55等 6 代固体激光器，输出功率提高了近 5 个量级；美国罗彻斯特大学激 光力能实验室（lle）的 omega 系列系统，脉宽约 1 ns、60 路、三倍频（3） 能量输出约为 20kj，以及现在正在建造的国家点火装置（nif）其脉冲 35 ns， 192 路、三倍频能量输出约为 1.8 mj56；法国原子能委员会（cea）的 phebus 和 lmj 系统57； 日本大阪大学的 gekko 系统58和 fireex 系统59以及英国、 俄罗斯、德国、意大利等国在建的高功率激光器系统60。在惯性约束核聚变的 研究中，我国也自行研制了星光 i、星光 ii61,神光 i、神光 ii 驱动系统，其 第一章 绪论 6 中神光ii装置是我国已经建成的最大功率的系统， 并于2000年投入了使用62。 此外， 目前我国正在研制的新一代高功率激光系统对激光输出性能提出了更高的 要求63。 美国的 llnl 实验室为了克服前几代点火装置在脉冲整形方面和前端稳定性 方面的缺点，以进一步对 icf 进行研究而在建的 nif 装置，其前端系统采用掺 yb 光纤单纵模激光器作为主光源，经波导相位调制器展宽频谱，再经由任意波 形电脉冲发生器驱动的波导振幅调制器的调制，产生任意可编程整形脉冲，然后 经过光纤分束器分束后进入预放系统64。其前端结构图如图 1.3 所示64： 在日本大阪大学激光工程研究所的 gekko-xii 装置中， 主振荡器是一台输出 脉宽为几百纳秒单纵模调 q 脉冲的主动锁模调 q 掺钕激光器； 脉冲整形器由普克 尔盒串联而成，并且其与主振荡器之间的同步由电子控制系统来实现，采用这样 的同步方案大大减少了光学系统的复杂性，有利于保证系统的稳定，但是由于受 电子控制系统的影响，整形脉冲的上升沿变缓，为此他们采用脉冲堆砌技术的脉 冲整形方案65，且为了满足靶面照明均匀度的要求，方案中采用部分相干光作 为整形的基底预脉冲。方案将由 nd:ylf 锁模激光器输出的激光脉冲经过单脉冲 选单器选出脉冲宽度为 100ps 的单脉冲， 再通过单模光纤啁啾调制和光栅对将脉 冲宽度压缩为 15ps， 然后经光谱整形和延时展宽输出脉冲宽为 50ps的平顶脉冲； 接着将得到的平顶脉冲输入到由单模保偏光纤、 光纤分束器和列阵可变衰减器组 成的光纤脉冲堆砌器，产生所需要的激光整形脉冲。针对快点火对皮秒以下超短 脉冲的需求，他们又开发了 gekko-xii+pw 系统，其可以产生脉宽为 150fs、谱 宽为 8.5nm、峰值功率达到 10 15w 量级的脉冲。 图 1.3 图 1.3 nif 前端系统结构图 1964 年，我国科学家王淦昌在国际上独立提出激光驱动聚变的建议，由此 揭开了我国 icf 研究的序幕。在早期几代固体激光器研制经验的基础上，1986 年升级完成的星光装置输出 1 路、脉宽为 1ns、三倍频(3)能量为 100j 的激光 脉冲61。与此同时建成了神光一号(sg-i)装置，其输出 2 路、脉宽为 1ns、基 第一章 绪论 7 频（1）能量为 2800j 的激光脉冲。神光-ii 装置是对神光-i 升级建造成的， 其前端采用全主动锁模 nd:ylf 激光器和单纵模调 q nd:ylf 激光器作为主光源， 以时-空变换脉冲整形系统为整形单元，可以输出脉宽为 1ns、100ps、20ps 和 1ps 等不同宽度的脉冲， 且红外波长的激光能量达 6kj/ns， 并可以变换到 0.35m 的紫外激光66。 为了更进一步的研究 icf，目前我国正在建造的新一代高功率激光系统的前 端采用全固化、全光纤的技术方案3，且为了满足整个系统在同步、系统诊断、 系统控制及点火等方面对脉冲的不同需求， 前端系统主要采用了下面两种技术路 线68,69： 一. 脉冲堆积方案： 是将锁模掺镱光纤激光器作为系统的脉冲种子光源， 将其通过啁啾光栅展宽并引入啁啾后作为堆积子脉冲进行 64 路可 编程堆积，以获得可任意编程整形的整形脉冲。 二. 单频调制方案： 采用掺镱光纤单纵模激光器作为前端系统的主光源， 经波导调制器展宽频谱和波导振幅调制器在任意波形电脉冲发生器 的驱动下调制产生可任意编程整形脉冲。 此外，新一代的激光驱动系统还引入了“快点火”的思想。 “快点火”由 m. tabak 于 1994 年提出，并在日本的 gekko 装置中使用67。其原理如图 1.4 所 示： 图 1.4 图 1.4 快点火基本原理图 “快点火”的过程简述如下：在纳秒级主激光脉冲将靶丸压缩到一定条件的 情况下，用一个几十皮秒的脉冲挂了一个光锥通道，并在约几皮秒的极短时间内 将能量至少几千焦尔的超短超强激光脉冲通过光锥通道打入靶丸内部， 从而迅速 引发核爆。这种点火方式的优点是可以提高激光能量的利用效应，大大降低对聚 变反应激光能量的要求。 第一章 绪论 8 1.2 新型高功率激光系统对整形脉冲的需求 为保证点火成功，前端需要为后续系统提供数个已初步整形并具有一定能 量、一定带宽、高信噪比和高光束质量的激光脉冲70,并且为了提高激光脉冲 的利用效率，降低点火时对激光能量的要求，靶场对脉冲的形状要求苛刻要 求脉冲时域上的形状必须与等离子体的等熵线的形状相同42， 脉冲的形状要求 如图 1.5 所示： 图 1.5 图 1.5 间接点火的典型激光脉冲图 靶场对脉冲形状的要求如图 1.5 所示，为实现点火，脉冲形关应当在一个可 接受的范围内变化。由图可以看出，靶丸对三个位置的精确性要求较高：一个是 第一个台阶的能量约为 5%，第二个和第三个台阶的时间控制约为 100ps。这三个 量决定腔内前三个脉冲的产生冲击波的时间，以保证烧蚀层在被消融时保持等 熵，这样被烧蚀层吸收的能量只能转化为动能而不会转化为热能，以使得靶核得 到时充分的压缩，从而提高激光能量的利用效率。 对于直接点火，同样对脉冲的形状要求比较苛刻，我国在高功率激光系统的 结构如图 1.6 所示，前端系统输出脉冲的主要技术指标如下： (1)背景光： 1 路 x 光背景激光束的种子光源 ? 中心波长 1053nm ? 脉冲宽度 几个 ns ? 脉冲形状 整形脉冲 ? 光谱宽度 0.1ns (2) 主脉冲： 64 路主激光光束的“的种子源” ? 中心波长 1053nm ? 脉冲宽度 0.16.4ns 整形脉冲 ? 脉冲波形 上升沿100ps 第一章 绪论 9 ? 脉冲功率 28dbm/10hz ? 光谱宽度 0.10.2nm & 23nm (3) 探针光： 4 路物理探针光束的“种子光源” ? 中心波长 1054nm ? 脉冲宽度 ps 或 fs 级超短脉冲 ? 脉冲波形 12ns 啁啾脉冲 ? 脉冲功率 24dbm/10hz ? 光谱宽度 1nm (4) 放大器的泵浦光： 主脉冲放大的泵浦光种子源 ? 中心波长 1053nm ? 脉冲宽度 3.26.4ns ? 脉冲波形 方波 ? 脉冲功率 30dbm/10hz ? 光谱宽度 0.01nm (5)“快点火”光源 引爆靶丸，使其释放出数倍于激光能量的能量 ? 中心波长 1053nm ? 脉冲宽度 110ps ? 脉冲形状 “海豹”形 图 1.6 图 1.6 高功率激光系统结构图 由脉冲的技术指标并结合图 1.6 可以看出，主脉冲、控针光及快点火光源在 经放大器放大后，其峰值功率可达到 kw 甚至是 mw 量级，而我们的系统又是采用 全固化、 全光纤的方案， 非线性效应会非常明显。 在非线性效应和色散的作用下， 脉冲的形状会发生畸变，而后续系统对脉冲的形状要求严格，因此研究光脉冲在 光纤中的传输效应就显得非常必要。 第一章 绪论 10 1.3 国内外关于非线性效应的研究现状 20 世纪 60 年代随着激光器特别是调 q 激光器的问世，揭开了研究非线性效 应的序幕。1961 年美国密歇根大学（university of michigan）的 franken 等 人71利用红宝石激光器首次进行了二次谐波的非线性光学实验，随后， gloembergen 等人对光学混频进行了开创性的理论工作，自此光学中的非线性得 到了广泛的研究，并使在老的光学焕发了生机。在研究过程中，尤其是在 20 世 纪 70 年代以后，随着低耗石英光纤的出现，不仅导致了光纤通信领域的革命， 而且也使关于非线性的研究更加深入， 自相位调制 （spm） 、 受激布里渊效应 （sbs） 、 受激拉曼效应、内拉曼效应（intra-raman） 、自陡峭效应（ss）等陆续续被人们 所认识。1973 年，hasegawa 和 tappert 提出利用光纤中的非线性效应来补偿色 散的展宽效应，使脉冲保持孤子的形式在光纤中传输，从而为高速率光通信提供 了一种非常有前景的方法72。并且在理论上指出，在慢变包络近似、弱色散、 无损耗和强度相关的折射率（ 2 02 nnn e=+）的条件下，光孤子的形成和传输应 遵守非线性 schrdinger 方程。1981 年 mollenauer 等人在实验上证明了在反常 色散光纤中，可以形成光孤子73。且随着光纤通信的迅速发展，为提高通信速 度和通信容量，人们正在酝酿研发的新一代通信技术光网络也正展开研究。 “光网络”是指整个通信的物理层采用全光纤设计的技术方案，同时为提高通信 的容量，整个网络中传输的光脉冲的脉宽一般在百 fs 量级，因此其在光纤中传 输时非线性效应相当的明显，关于这方面的研究也做了大量的工作，但是所有的 这些研究大都集中在中心波为 1550nm 的通信波段，且由于在通信过程中，激光 脉冲的峰值功率都比较低，在传输过程中自陡效应、内拉曼效应等并不明显可以 忽略，大多数时候只考虑了色散和 spm 的相互作用。由于国防、精密加工和激光 惯性约束核聚变等的需要，激光器的输出功率得到了很大的提高，目前单根光纤 激光器的输出功率已达 9.6kw，如此大功率的脉冲在光纤中传输时，非线性的作 用会非常明显，并且在其作用下脉冲的形状及光谱都会发生明显的变化，尤其会 使脉冲的形状发生很大的畸变，这给实际应用，如精密加、光网络的研发等带来 很程度的制约。 到目前为止， 关于脉冲在各种单模光纤中的非线性传输行为的研究已经很多 75-87，如自相位调制、孤子的产生等，但其研究的脉冲宽度大都集中在 fs 到几个 ps 之间，并且在研究 ps 尤其是百 ps 脉冲时，其脉冲的峰值功率最大都 在 w 到 10w 量级， 而关于脉宽为百 ps 功率在 kw 量级的脉冲在光纤中的传输行为 的研究鲜有报道。 同时在脉冲堆积方案中， 为了消除脉冲在堆积过程中所产生的调制结构而采 用啁啾脉冲74堆积的方案。之前的研究表明，若入射脉冲带有初始啁啾，则在 第一章 绪论 11 传输过程中，脉冲的频谱和脉冲的形状都会受到初始啁啾的影响，并且正啁啾和 负啁啾脉冲对脉冲形状的影响是不同的75-87，文献75-80证明：在正色散的 情况下，一个无啁啾脉冲传输一段距离后将演变成线性啁啾脉冲，并且脉冲也会 演化成为方波脉冲，h.e.lassen，m. oberthalar 等人从理论上分析了低功率啁 啾脉冲在光纤中的传输行为86-87，分别分析了脉冲在不同的色散（正色散、 负色散，忽略色散）及损耗的光纤中传输时，初始啁啾、色散和非线性效应对脉 冲形状和光谱的影响，在色散和非线性效应其同作用时，初始啁啾不仅影响脉冲 的光谱，而且影响脉冲的形状，会使脉冲发生畸变。但他们仅是定性的研究了以 上因素对脉冲形状及光谱的影响，并没有给出定量的分析，因此，对高功率啁啾 高斯脉冲在光纤中的传输特性进行研究是非常必要的。 在通信领域，随着长距离、大容量迅要求的提出，对于不同宽度的脉冲，从 fs 到 ps，在光纤中的非线性传输特性都有研究，但其与研究聚变时的脉冲功率 （kw，mw）相比要小得多。而且,虽然在之前的研究中，关于色散和非线性效应 对脉冲形变影响的研究比较多81,82，但是关于非线性对脉冲形变的定量研究 比较少，同时关于初始啁啾对脉冲形变的影响也不够全面，因此研究 1053nm 的 百皮秒啁啾脉冲在单模光纤中的非线性传输行为有着重要的现实意义。 1.4 研究意义 为进一步研究可控约束核聚变， 我国目前正在建造的高功率激光系统采用主 振荡器加功率放大器的结构即所谓的 mopa 结构，由前端系统加后续功放系统来 实现超大功率， 并且为提高系统的稳定性和靠性采用全固化、 全光纤的技术路线。 它利用 1053nm 亚皮秒超短脉冲锁模掺镱激光器作为系统的种子脉冲光源，经脉 冲单器选单后经过光纤放大器放大，一部分输出经脉冲展宽、啁啾整形和光谱整 形、放大、分束和传输等处理后作为前端系统的啁啾超短脉冲信号；另一部分再 利用啁啾光栅将脉冲展宽后经窄带光谱滤波获得稳定的且与超短脉冲同步良好 的 100ps 宽度的基无啁啾脉冲。经过放大后的脉冲的峰值功率可达 mw 量级，此 时无论是fs还是ps脉冲在光纤中传输势必引起三阶或更高阶的非线性效应， 如： 自相位调制、内拉曼效应、自陡峭效应、四波混频、调制不稳定性等，这些非线 性效会使传输后的脉冲时间波形发生畸变81-83、能量传输效率下降，甚至会 给整个系统带来灾难性的破坏。到目前为止，关于光在光纤中的非线性传输特性 虽然已有很多研究，但功率水平都比较低，尤其是对 100ps 脉冲的研究功率一般 都在 w 量级， 对于高功率条件下的光脉冲尤其是高功率啁啾脉冲的研究还鲜有报 道。 第一章 绪论 12 为保证点火的成功，靶场对脉冲形状、光谱宽度要求都相当的严格，以快点 火为例：其要求脉冲的形状必须按“海豹”形分布以使激光与等离子体相互 作用时是绝热过程，从而提高激光能量的利用效率，减小对激光能量的需求；而 且在整个系统中，对诊断脉冲和探测脉冲的形状要求同样苛刻，而且还要求其与 百皮秒的主脉冲同步。但是对于峰值功率为 kw、mw 量级的脉冲来说，其在光纤 中传输时由于非线性效应和色散的共同作用， 脉冲的形状会发生畸变使前端 出射的脉冲在经过光纤传输后不满足后续系统的需要， 严重时甚至会损坏系统的 一些关键器件84-85。 我国在建的高功率激光系统采用的其中一个方案就是脉冲堆积技术利 用 100ps 的基元高斯啁啾脉冲堆积产生后端所需要的纳秒级脉冲。 因此研究中心 波长为 1053nm 的 100ps 啁啾高斯脉冲在单模光纤中的传输特性就非常有必要， 其是研究堆积脉冲在光纤中传输特性的基础。 因此研究清楚在脉冲形变允许的范 围内，入射脉冲的啁啾、峰值功率、脉冲宽度、传输长度与脉冲形变的关系有着 重要的理论和现实意义。 1.5 论文结构 本文对高功率啁啾高斯脉冲在单模光纤中的传输特性进行了理论探讨， 给出 了高斯啁啾脉冲在光纤中传输时色散长度的修正表达式， 分析了在色散和非线性 的作用下，脉冲形变与入射脉冲初始啁啾、入射峰值功率、传输长度等之间的关 系；模拟分析了传输前后光谱的变化规律。具体内容按排如下： 第一章介绍了在能源危机的背景下研究激光惯性约束核聚变的必要必性， 并 简介绍了核聚变的基本原理及激光约束核聚变对激光脉冲的要求； 然后介绍了国 内外关于用于聚变研究的高功率激光系统前端的研究进展情况及其采取的技术 方案；最后说明了本文工作的国内外研究现状及其理论和现实意义。 第二章介绍了研究工作的理论模型及其数值模拟的方法， 并指出在本文的研 究工作中应注意的问题。 第三章研究了啁啾高斯脉冲在光纤中传输时色散长度的修正。 第四章研究了脉冲形变与入射脉冲啁啾量、 入射功率、 传输长度之间的关系， 以及传输前后脉冲光谱的变化规律， 对新型高功率激光系统的研制提供了重要的 指导意义。 最后对所进行的工作进行总结与展望。 参考文献 参考文献 第一章 绪论 13 1 yu haiwua, jing fenga, wei xiaofenga, et al. 2009. status of prototype of sg-iii high-power solid-state laserc. proc. of spie, vol. 7131. 2 zheng wanguo, zhang xiaomin, wei xiaofeng, et al. 2008. status of the sg-iii solid-state laser facility. journal of physics: conference series 112(2008) :institute of physics publishing. 3 李锋，高功率激光器前端系统模拟设计d，in 物理系. 2006，中国科学技术大学：合肥 4 d. pimentel, l. e. hurd, a. c. bellotti, et al. 1973. food production and the energy crisis j. science magazine.,182(4111): 443-449. 5 y. kozlovsky, m. m.