（物理电子学专业论文）超高峰值功率激光脉冲产生及控制技术研究.pdf

摘璎 摘要 本论文依托中国工钲i = 1 物理研究院的重大预研项目“百太瓦级超短超强脉冲激光装 置研制”，主要从理论和实验上对超高峰值功率的钛宝石激光系统进行了深入细致的 研究，并最终研制出国内最高峰值功率的钛宝石飞秒激光装置，该装置的某些技术指 标达到国际先进水平。主要工作包括以下几个部分： 阐述了超短超强脉冲的发展历程、需求背景以及目前国内外的发展概况。超短脉 冲从最初的染料激光器发展到目前最常见的固体飞秒激光器，飞秒超短脉冲在过去2 0 年内得到了迅速发展，脉冲宽度可以达到几个飞秒以下，峰值功率可以达到p w 量级， 聚焦后可以获得极高的峰值功率密度，获得极端的物念条件。可用来研究相对论领域 的光与物质相互作用，如超快x 光激光产生、超高次谐波产生、激光尾波场粒子加速、 实验室天体物理学及快点火机制等研究领域。随着研究工作的进一步深入，超短超强 脉冲激光将会在军事、科技和民用方面呈现广阔的应用前景。 系统描述了以钛宝石为介质的啁啾脉冲放大系统的各关键单元。分析了钛宝石飞 秒振荡器的自锁模机理，并对腔内的色散补偿进行了讨论。展宽器是c p a 系统的一个 关键部分，其色散的大小，展宽倍数的多少刺。以后的放大过程都有直接的影响。对常 用展宽器的构型进行了分析和讨论，比较了相互的优缺点，同时对脉冲展宽器的物理 过程进行了描述，给出了脉冲展宽的计算公式。对再生放大和多通放大分别进行了描 述和比较，并分析了二者的优缺点，应根据实际情况选择合适的放大方式。还讨论了 大口径钛宝石晶体中a s e 的抑制方法。最后分析了脉冲压缩器和色散补偿方法。 重点对宽带啁啾脉冲的线性放大迸行了理论分析和数值模拟。通过对不同传输模 型的总结分析，选择了非线性薛定谔方程作为我们的计算模型。通过数值计算，分析 和讨论了啁啾脉冲传输的增益窄化和增益饱和效应。并且针对时空二维分布的啁啾脉 冲，对增益窄化和增益饱和对脉冲的共同作用作了分析。对于实际中的多程放大结构， 通过非线性薛定谔方程和粒子数方程相结合，对啁啾高斯脉冲的多程放大也做了计算 和分析。 完成了脉冲光谱主动控制的理论分析和实验研究。啁瞅脉冲放大系统中的前置高 增益放大器通常为再生放大器，但是激光脉冲在再生放大器中将会产生强烈的增益窄 化效应，使放大脉冲的光谱宽度变窄，光谱的变化将影响到压缩脉冲的宽度。通过主 动控制脉冲光谱，研究抑制再生放大器增益窄化效应的方法，从而获得变换极限的压 缩脉冲。利用声光光谱可编程色散滤波器，可以实现对脉冲光谱振幅和位相的主动控 制，尽可能嗣弱增益窄化效应对光谱的影n | ! l 并最终获得更窄的变换极限的压缩脉宽。 据悉，这是我们首先在国内进行声光光谱色散滤波器用于c p a 系统的光谱整形的实验 啥尔滨工业大学【：学博卜学位论史 研究。 对百太瓦级钛宝石超短脉冲激光装置进行了系统的实验研究。3 t w 前端系统主要 包括飞秒振荡器及泵浦源、脉冲展宽器、再生放大器、预放大器、主放大器及脉冲压 缩器等部分。前端系统没有应用声光光谱色散滤波器( a o p d f ) 时，可以获得 1 5 0 m j 5 0 f s 3 t w 输出。当应用a o p d f 对放大过程中的增益窄化效应及引入的附加高 阶色散进行适当的补偿，可以获得3 0 f s 的压缩脉宽，使前端系统的输出峰值功率直接 提高到5 t w 。2 0 t w 中间放大级采用了全像传递的空间四程放大构型，这种像传递技 术在超短脉冲激光系统中使用，是本装置的创新点。2 0 t w 主放由6 台l o h z 重频的调 e 倍频的y a g 激光器分两组其进行双面泵浦。从2 0 t w 放大器输出的激光脉冲扩束到 6 0 m m ，然后进入末级的助推放大器。由于术级钛宝石口径较大，需要考虑放大的自 发辐射( a s e ) 和横向寄生振荡的影响，为此，发展了大口径钛宝石晶体的包边工艺。 令系统输出的峰值功率最高可达2 8 6 t w ，聚焦功率密度达到8 2 1 0 2 0 w c m 2 ，这 是目鲋国内最高的峰值功率和聚焦功率密度，该系统能够稳定运行，已提供了两轮物 理实验打靶。 关键词啁啾脉冲放大：飞秒脉冲激光器；声光光谱色散控制；全像传递传输 a b s t r a c t t h e u l t r a h i g hu l t r a - s h o r tt i ：s a p p h i r ep u l s el a s e rs y s t e mw a s s t u d i e st h e o r e t i c a l l ya n d e x p e r i m e n t a l l yi nt h i sd i s s e r t a t i o n t h em a i n r e s e a r c ha sf o l l o w i n g ，i ti n c l u d e s ： t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ed e v e l o p m e n t ，a p p l i c a t i o na n dg e n e r a ls i t u a t i o n sa tp r e s e n t o f t h e u l t r a h i g hu l t r a s h o r tp u l s el a s e rs y s t e m ，t h ed e v e l o p m e n t f r o mt h ei n i t i a ld y el a s e rt o t h ef a m i l i a rs o l i df e m t o s e c o n dl a s e rm a k e st h et e c h n o l o g yo ft h eu l t r a - s h o r tp u l s el a s e ra r a p i de v o l u t i o no v e rt h ep a s t2 0y e a r s ，t h ep u l s ew i d t hw a ss h o r t e nt o 10 - 1 5 f so rl e s s ，t h e p o w e rc o m eu p t oloi2 wo rm o r e ，a n dt h e p e a kp o w e rd e n s i t yd r a m a t i ci n c r e a s e d a p p r o a c h i n g - 1 0 2 0 w c m 2 ，s oe x t r e m e l yn e w c l a s s e so f p h y s i c a le f f e c t sc a nb ea v a i l a b l ef o r t h es t u d yo f t h el i g h t m a t t e ri n t e r a c t i o n si nt h er e l a t i v i s t i cr e g i m e s ，s u c ha st h eg e n e r a t i o no f u l t r a f a s t x r a yr a d i a t i o n ，u l t r a h i g h o r d e rh a r m o n i cg e n e r a t i o n ，l a s e rw a k e f i e l dp a r t i c l e a c c e l e r a t i o n ，l a b o r a t o r y b a s e da s t r o p h y s i c sa n df a s ti g n i t i o nf u s i o ne ta 1 t h ed e e pr e s e a r c h p r o g r e s si nt h eu l t r a - s h o r tp u l s el a s e rw i l lm a k e i taw i d e ra p p l y i n ga v e n u e si nt h em i l i t a r y ， s c i e n c ea n d t e c h n o l o g y , c i v i l i a n 、 t h eb a s i c c o m p o n e n t s a n d k e yt e c h n i q u e o f t i ：s a p p h i r ec h i r p e dp u l s e a m p l i f i c a t i o n ( c p a ) s y s t e m i sg i v e ni nd e t a i l f i r s to f a l l ，t h et h e o r yo fs e l f - m o d el o c k i n go f t i ：s a p p h i r ef e m t o s e c o n d o s c i l l a t o ri si n t r o d u c e d ，a n dt h ec o m p e n s a t i o no f d i s p e r s i v ei nt h e c a v i t yi sd i s c u s s e dt o o s t r e t c h e ri s ak e yp a r ti na m p l i f i e rs y s t e m ，w h o s ed i s p e r s i v ea n d s t r e t c h e r i n gf a c t o r w i l la f f e c tt h ew h o l e a m p l i f i c a t i o nd i r e c t l y d i f f e r e n t s c h e m e si nc o f f n n o n u s ea r e a n a l y z e d ，t h ea d v a n t a g e s a n dt h e d i s a d v a n t a g e s a r e c o m p a r e dr e s p e c t i v e l y m e a n w h i l e ，w i t ht h ep h y s i c sp r o c e s s e so fs t r e t c h e r ，t h e f o r m u l ab yw h i c ht h es t r e t c h i n g f a c t o rc a nb eg e ta p p r o x i m a t e l yi so b t a i n e d s e c o n d l y , t h er e g e n e r a t i o na m p l i f i e ra n dt h e m u l t i p a s sa m p l i f i e ra r ed e s c r i b e d a n dc o m p a r e di nd e t a i l w h i c ha m p l i f i e rm o d e i sc h o o s e i nt h es y s t e mi su pt ot h ef a c t f u r t h e r m o r e ，s u p p r e s s i o no f p a r a s i t i cl a s i n gi nl a r g e a p e r t u r e t i ：s a p p h i r ec r y s t a l i s d i s c u s s e d l a s t l y ，t h e s t r u c t u r ea n d p r i n c i p l e o fc o m p r e s s o ra r e d e s c r i b e d ，a n dt h em e t h o do fd i s p e r s i v ec o m p e n s a t i o n a r ea n a l y z e d t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o na b o u tl i n e a ra m p l i f i c a t i o no f t h e b r o a db a n d w i d t hc h i r pp u l s ew e r e m a d e t h en o n l i n e a rs c h r 6 d i n g e re q u a t i o ni sc h o o s e a st h e c a l c u l a t i o nm o d e lt h r o u g hs u m m a r i z i n ga n da n a l y z i n gt h ed i f f e r e n tp r o p a g a t i o nm o d e l b y t h en 啪e r i c a lc a l c u l a t i o n ，t h ee f f e c t so fg a i nn a r r o w i n g a n dg a i ns a t u r a t i o nw e r ea n a l y z e d a n dd i s c u s s e da n dt h ee f f e c to fg a i nn a r r o w i n ga n dg a i ns a t u r a t i o no n t h ep u l s ew a sa l s o a n a l y z e df o rt h ec h i r pp u l s ew i t ht w od i m e n s i o n ss p a t i o t e m p o r a ld i s t r i b u t i o n i na d d i t i o n ， 一t 一 哈尔滨丁业九学t 学博i 。学位论文 f o rt h em u l t i - p a s sc o n s t r u c t i o nu s e di np r a c t i c e ，t h em u l t i p a s sa m p l i f i c a t i o nc a l c u l a t i o no f t h eg a n s s i a np u l s ew i t h c h i r pw a s a l s om a d ea n d a n a l y z e dt h r o u g hc o m b i n i n g t h en o n l i n e a r s c h r o d i n g e re q u a t i o na n dp o p u l a t i o ne q u a t i o n ， t h et h e o r e t i c a la n a l y s e sa n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e so fa c t i v es p e c t r u mc o n t r o la r e c o m p l e t e d t h eh i 【g hg a i na m p l i f i e ri nc p as y s t e mi su s u a l l yr e g e n e r a t i o na m p l i f i e r ，s o s t r o n gg a i n n a r r o w i n ge f f e c t sw i l l b ep r o d u c e dw h e nl a s e r p r o p a g a t e st h r o u g ht h eg a i n m e d i u mi nt h er e g e n e r a t i o na m p l i f i e r ，w h i c hw i l ln a r r o wt h ep u l s e s p e c t r u mb a n d w i d t h ，a n d t h u sa f f e c t st h e p u l s e w i d t ha f t e r c o m p r e s s e d d i f f e r e n tw a y s w h i c hc a nc o n t r o l g a i n n a r r o w i n gi nr e g e n e r a t i o na m p l i f i e ra r es t u d i e d b yt h ea c t i v es p e c t r u mc o n t r o l ，t h e c o m p r e s s e dp u l s e o fn e a rt r a n s f o r ml i m i tc a l lo b t a i n e d o fa l lt h e c o n t r o l l i n gw a y s ， a c o u s t i c o p t i cp r o g r a m m i n gd i s p e r s i v ef i l t e r ( a o p d f ) c a n b eu s e dt of u l f i l lt h eg a i n s p e c t r a l a m p l i t u d e a n dp h a s es h a p i n g ，a n dm i n i m i z e st h eg a i n n a r r o w i n ge f f e c t s t oo u rk n o w l e d g e ， t h i si st h ef i r s te x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e so f s p e c t r u ms h a p i n gb y a o p d fi nc h i n a t h em u l t i h u n d r e dt e r a w a t t t i ：s a p p h i r e u l t r a s h o r t p u l s e l a s e r s y s t e m h a sb e e n e x p e r i m e n t a l l y s t u d i e d t h e3 - t w f r o n t e n ds y s t e m s m a i n l yi n c l u d e sf e m t o s e c o n d o s c i l l a t o r , p u l s es t r e t c h e r , r e g e n e r a t i o na m p l i f i e r ，p r e a m p l i f i e r ，m a i na m p l i f i e r ，a n dp u l s ec o m p r e s s o r t h i ss t a g ew o r ka t7 6 m h zw i t ha no u t p u to f15 0 m j 5 0 f sw i t h o u tu s i n ga o p d f ，w h i l eu s i n g a o p d ft oc o m p e n s a t et h eg a i ns p e c t r a ln a r r o w i n ga n dr e s i d u a lh i g h o r d e rd i s p e r s i v e ，t h e n 3 0 f so f c o m p r e s s e dp u l s e w i d t hi so b t a i n e d a n dt h ep o w e ro fo u t p u ti si n c r e a s e dt o5 - t w t h e2 0 t ws t a g ea m p l i f i e ri sar e l a y i m a g e df o u r - p a s ss p a c ea m p l i f i c a t i o ns y s t e m ，t h i s r e l a y - i m a g e dt e c h n i q u eu s i n g i nu l t r a s h o r t p u l s e l a s e r s y s t e m i sai n n o v a t i o ni nt h e m u l t i h u n d r e dt e r a w a t tl a s e rf a c i l i t y t h i ss t a g e a m p l i f i e r i s p u m p e db y s i x10 一h z q s w i t c h e dy a g l a s e r st h a tr e l a y - i m a g e do n t ob o t hf a c e so ft h ec r y s t a lr o dw i t h i na na r e a 2 c mi nd i a m e t e rt h eo u t p u tf r o mt h e2 0 - 7 r wa m p l i f i e rc h a i ni su p c o l l i m a t e dt o 6 0 一m m d i a m e t e ra n dt h e ni n t r o d u c e di n t oaf i n a lf o u r p a s sb af o rt h el a r g e a p e r t u r et i ：s a p p h i r e c r y s t a l ，a m p l i f i e ds p o n t a n e o u s e m i s s i o na n dp a r a s i t i cl a s i n g ( p i 一) a c r o s st h ea m p l i f i e rd i s ka t a h i g h e n e r g yp u m p f l u e n c em u s tb ec o n c e r n e d t h e ne d g ec l a d d i n g t e c h n i c so f l a r g e a p e r t u r et i ：s a p p h i r ec r y s t a l i sd e v e l o p e d t h eo u t p u t p o w e ro ft h e w h o l es y s t e mi s2 8 6 tw a n dt h ef o c u s e di n t e n s i t y i s 8 2 x1 0 2 0 w c m 2 w h i c ht oo u rk n o w l e d g e ，i st h eh i g h e s tp o w e r a n di n t e n s i t yi nc h i n a t h i s l a s e rf a c i l i t yc a nw o r ks t a b l y , a n dh a sa l r e a d yu s e df o rp h y s i c a le x p e r i m e n t k e y w o r d s c h i r p e dp u l s ea m p l i f i c a t i o n ；f e m t o s e c o n d p u l s et i ：s a p p h i r e l a s e r ； a c o u s t i c - o p t i cp r o g r a m m i n gd i s p e r s i v ef i l t e r ( a o p d f ) ；i m a g e 。r e l a y t v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 超强超短脉冲激光的需求背景 近年米，随着超短脉冲激光技术的u 趋成熟，超高峰值功率的激光技术得到j ，进 步发展，峰值功率已能达到百t w 或p w 以上，聚焦功率密度可达到l o “w c m ：。如此 超高强度的激光脉冲，可以创造极端的物态条件，可用来研究相对论领域的光，物质 桐q 作用，如超快x 光激光产牛。、超高次谐波产牛、激光尾波场粒子加速”。4 、 实验室灭体物理学1 及快点火机制”“等研究领域。从图1 1 可以看到”，随着激光 峰值功率大幅度提高，聚焦功率密度也显著提高，光与物质相瓦作用将会 f 1 现更加丰 寓的物理现象。随着超短超强脉冲激光装置性能的提高利研究t 作的进一步深入，超 短超强脉冲激光将会住军事、科技利民用方而呈现广阔的应用前景。 图1 1 高功率激光发展的历程及对应的物理现象 f 嘻11 l a s e r f o c u s e di n t e n s i t yv sy e a r sf o rt a b l e t o ps y s t e m st h i ss y s t e ms h o w s t h ed r a m a l i ci n c r e a s ei ni n t e n s i t i e se x p e r i e n c e do v e rt h ep a s tf e wy e a r s 一1 一 哈尔滨t 业大学工学博士学位论文 超强超短脉冲激光和物质相互作用特征表现为强相对沦和强有质动力，能够在局 部区域创造极端强的物理条件，如火于l o ”k 的黑体辐射( 远远高于太阳中心的温度) 、 大于1 0 ”g 的加速度、大于1 0 9 g a u s s 的超强磁场、接近光速的电子振荡速度等。对天体 物理、材料科学、等离子体物理、激光核聚变、原子核物理、相对论物理、凝聚态物 理、加速器物理、高能物理等带来冲击及机遇“”1 。 1 ) 核武器库存材料特性研究 根据美国l l n l 最新研究结果表明，新建的超短脉冲激光装置j a n u s p 的聚焦功率密 度已达n 2 1 0 。1 w c m 2 ，信噪比达到1 0 ”。利用这利一高强度、低预脉冲的激光与高密度 固体物质作用，可产生类似核爆炸和星球内部的高温高密度等离子体物态条件，利用 这种条件有望进行核武器库存材料特性研究。 2 ) 激光聚变快点火概念探索 传统的i c f 点火方式是巾心热斑点火，对靶丸精度和粗糙度及激光辐照均匀性要 求都十分苛刻，而且点火的闽值激光能量要求很高，高达兆焦耳量级。 近年来，随着c p a 激光技术的重大进展，美围l l n i 于1 9 9 3 年提出了“快点火”概 念，即首先利用中等激光强度把聚变燃料均匀压缩到定密度( 如3 0 0 9 c m 。3 ) ，再用 一束短脉冲强激光( 如l o o p s 、1 0 1 71 0 ”w c m 2 ) 产生穿越等离子体冕区的通道，然后用 一束超短脉冲激光( 如p s 、1 0 2 0 w c m 2 ) 通过前而产生的通道达到压缩的靶丸边缘，与 靶丸的高密度等离子体相互作用，产生大量的卜5 m e v 的超热电子。超热电子向靶丸内 输运、沉积能埕，加热局部的氘氚离子，发生聚变反应。产生的a l p h a 粒了向未被加 热的“冷”区传播，实现点火和燃烧。 ”陕点火”预压缩度低，对流体力学不稳定性不敏感，所需能量少，增益更高 是实现激光聚变点火的重要途径之一。 3 ) x 射线激光研究 在引入超短脉冲激光作为x 光激光泵浦源之前，要产生短波k 的x 光激光，需要大 型高功率固体激光驱动器。如美国l l n l 实验室曾在n o v a 装置上作出过水窗波段的x 光 激光。由于它需要非常庞大的泵浦源，因此基本上没有应用价值。而 j p s 级的超短脉 冲作为泵浦源则可大大降低装置的能量和装置的规模。许多方面的性能都超过了过去 用大型装置产生的x 光激光。将它应用于诊断激光与物质相互作用产生的高温高密度 等离子体的特性，可以获得精确的实验数据，是实验室激光核爆模拟实验研究必不可 少的精密诊断 一具。此外，高重复频率、高强度的x 光激光还有非常大的科学应用价 值和工业应用价值。 4 ) 强辐射源应用研究 高功率超短脉冲激光能够产生数十兆伏能量和兆安级电流的强电子和质子束，输 出功率比任何现有的加速器都高，具有进行爆轰闪光照相的应用前景。预期用于闪光 照相，时空分辨会大大改善，还有利于多幅成像，成本也更低。 5 ) 诊断仪器精密标定 超短脉冲激光器具有极窄的激光脉宽( f s 量级一l p s 量级) 是极好的可见和紫外( 倍 频后) 6 光源，与标准具配合使用可以直接用于诸如条纹相机等时间分辨设备的标定。 此外，超短脉冲激光与靶相互作用产生的等离子体也是很好的皮秒x 射线源和粒子源， 可用于多层膜反射镜、各种探头的标定及探头的时间响应曲线测量。 6 ) 其它应用 超短脉冲激光器能成为体积小、经济、污染小的新型脉冲中子源，用于中子照相、 中子活化分析等，还能进行超短脉冲宽光谱激光对光学元件的损伤研究，强x 射线源 可用于x 射线光刻等；还可以丌展许多前沿学科研究，如超短超强激光与团簇的作用、 高次谐波的产生、超快x 光源和天体物理等。 1 2 超强超短脉冲激光的发展历程 自1 9 6 0 年激光发明以来，激光峰值功率通过一系列的新技术被不断提高。首先 出现了自由运转激光，后来凋q 技术及锁模技术的应用，分别将激光的峰值功率提高 约三个量级。与此同时，脉冲宽度下降了同样的量级。脉宽为微秒级的自由运转激光 的峰值功率密度在k w o m 2 量级，调q 技术将脉宽压窄至纳秒级，对应激光的峰值功率 密度达到m w c m 2 ，锁模激光技术将输出的峰值功率密度提高到g w c m 2 水平。其后二十 年内激光的峰值功率密度未能显著提高，这是因为当激光强度达到g w c m 2 时，光学介 质的非线性折射率n ：引起的b 积分将起到显著作用。当b 积分值达到t c 时，非线性折 射率导致激光发生全光束口径自聚焦和小尺度自聚焦，并最终破坏光学介质，从而阻 碍了激光峰值功率被放大至更高的水平。 针对上述问题，g m o u f o u 及其合作者于8 0 年代中后期提出了啁啾脉冲放大 嗡尔滨t 业人学t 学博j 。学位论义 ( c h i r p e dp u l s ea m p l i f i c a t j o n ，c p a ) 的概念。1 。其基本思路是将非常窄的种子光 脉冲在时域上展宽，然后进行充分放大，以便提高系统放大级的能量抽取效率和克服 非线性效应的影响，脉冲获得足够的脉冲能量后，再将脉宽压缩获得高峰值功率的激 光脉冲。通过c p a 技术可获得峰值功率比常规激光系统高数个量级的激光脉冲。 表1 1t i = 界各国具有代表性的高功率超短脉冲激光装置 q h b l e1 1t h eh i g hp o w e ru l t r a s h o r tp u l s el a s e rf a c i l i t i e so v e rt h ew o r l d 实验室输 能 脉冲宽度 输 i 功 馓光强度建设或完成 序号压l 家装置名称 名称 量“1( f s )率( t w l ( w c m 2 ) 时间 0 1l l ，n lp e t e w a t i6 8 04 4 0l5 0 0 6 1 0 2 01 9 9 6 一1 9 9 9 l l n lj a nl j s p1 5 7 5 8 0 2 0 0 2 x 1 0 2 l2 0 0 0 u s a c u o s a l f a 262 53 0 0 c a 【i f o r n i au 3i22 356 0 0 2i l ep w m4 57 0 0 8 0 06 0 - l0 05 1 0 1 91 9 9 8 i l em l i 3 0 5 0 06 01 9 9 9 j a p a l l j a e r i21 89】0 0ix 1 0 2 01 9 9 8 j a e r i2 843 298 5 038 1 0 2 12 0 0 3 j a e r i2 02 01 0 0 ( )u n d e rc o n s t r 0 3r a lv u l c a np w3 07 0 04 05 1 0j91 9 9 8 e n g l a n d r a li 由l e a np w5 0 05 0 0 1 0 0 02 0 0 2 7 0 4l u l il u l l3 03 0 0 1 0 01 9 9 8 l l j i i p h y b u s 5 0 05 0 01 0 0 0u n d e rc o t l s t r f r a n c e l i m e i ip 1 0 2103 0 01 0 0 e n s t al ，o a 082 53 51 0 】9 0 50 s ip h e l i x5 0 05 0 01 0 0 0 u n d e rc o n s t r g e r f f l a n y m b l07 5 3 0 2 5 0 6s w e d e nl l cl u n d 1 5 0 2 0 0 7 c z e c h i p ，a s c rp a l s1 0 02 05 0 0 01 0 2 3p l a n 0 8s 1 0 m q g - c 4 07 83 39 2 32 0 0 2 c h i n a l f r c63 02 8 01 0 2 0 2 0 0 4 c p a 技术的应用，使得超短脉冲激光的峰值功率大幅提高，可以在很小的台面激 光装置上获得t w ( 1 0 ”w ) 量级峰值功率输出。近几年，超高峰值功率的激光技术得到 一4 一 f 进一步发艘“。2 ，峰值功率已能达到百t w 或p w 以l ，聚焦功率密度_ 达到1 0 “w c m 2 。 强超短脉冲激光在科学研究和军事研究方面都有非常大的潜在应用价值，倍受世 界各科技大国的关注。近年来，各科技大i 司均纷纷研制大型的超短脉冲激光装置”。”。， 如表1 1 所示。随着超强超短脉冲激光装置性能的提高和研究工作的进步深入，将 会呈现更多、更广的科学与军事j 民用方面的应用前景。 美国利弗莫尔实验室于1 9 9 3 年开始发展拍瓦激光技术”2 1 。经过网年努力，f 1 9 9 6 年5 月2 3 e i 实现拍瓦功率输出，取名p e t a w a t t ，如陶l2 所j j 。该装置的输出脉冲宽度 4 4 0 f s ，每个脉冲能量6 8 0 j ，峰值功率1 4 p w ，靶面功率密度达到6xi 0 2 1 1 w c m 2 。 图1 2c p a 技术原理图和p e t a w a t t 装置 f i g 1 ，2 t h ep r i n c i p l eo f c p a a n d t h e p e t a w a t t l a s e r j a n u s 是利佛莫尔实验室于1 9 7 4 年建成的百焦耳级钕玻璃激光器。他们刹崩该装 置于2 0 0 0 年建成了一台靶面聚焦功率密度迄今最高的激光器“，如图1 3 所示。命名 为l a n u s p ( j a n u sp u m p e du l t r a s h o r t p u l s ol a s e f ) 。输能量虽只有1 5 j ，脉刊1 宽 度却缩短至0 8 5 f s ，峰值功率u j 达2 0 0 1 、w ：因光束质量好，焦斑j l 有2 岫，聚焦功率密度 高达2 1 0 “w c m 2 ；其预脉h ， - l p e t a w a l t 的小百万倍，脉冲对比度，即主脉冲与预脉 冲之比高达1 0 “。聚焦功率密度和脉冲对比度都创f 了新的世界记录。 喻尔滨i 业大学i 学博i 学位渔文 日本大阪大学激光工程研究所( i l e ) 1 9 8 3 年就建成了1 2 束g e k k o x l l 激光器。他 们增加了第1 3 路光束用作产生超短脉冲激光的放人器“”，如图1 4 所示。1 9 9 8 年底 超短脉冲激光装置建成，输出能量4 5 j ，脉冲宽度7 0 0 f s ，峰值功率6 0 t w ，靶面聚焦功 率密度5 x l o ”w c m 2 。该装置取名p w m ( p e t a w a r tm o d u l e ) 。2 0 0 2 年，已获得5 0 0 j ，5 0 0 f s 的激光输出，峰值功率达到i p w ”。 图1 3j a n u s p 超短脉冲激光装置 f i g1 3j a n u s pu l t r a - s h o r tp u l s el a s e ri nl l n l 图1 4 日本l l ep w m 装置 f i g 1 4i l ep w m l a s e ri nj a p a n 6 第1 章绪论 日本原子能研究所于1 9 9 9 年研制成一台l o h z 重复率工作的超强趟短脉冲激光装 置。9 = 。”1 ( j a e r i ) ，见图1 5 ，其输出激光脉冲功率为1 0 0 t w ，脉冲宽度为1 9 f s ，聚焦 功率密度达1 0 “w c m 2 。2 0 0 3 年已将该装置升级茧1 8 5 0 t w 。“。 图1 5 日本原子能研究所j a e r i 超短脉冲激光装置 f i g 15t h eu l t r a s h o r tl a s e ri nj a e r l ，j a p a n 法网l u l l 实验室利用法国c e a 退役的p h y b u s 装簧( 到巾2 0 8 r a m 放大级) ，f 2 0 0 3 年建 成同时拥有l k j 1 n s 和5 0 0 j 5 0 0 f s 的激光装置，呵以大能量作等离子体研究，也可实 现i p w 的超高功率超短脉冲输f | 严1 ，如矧1 6 所w j 。 图1 6 法国l u l l 实验室将建成的大型激光装置 f i g 1 6t h ep w l a s e ru n d e r c o n s t r u c t i n gi n 乙u l i ，f r a n c e 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 国内也有数家研究单位长期从事超短脉冲放大及相关技术的研究，如中物院激光 聚变研究中心、中科院物理所、上海光机所、天津大学、西安光机所、中山大学、哈 尔滨工业大学等，但是大都从事台而t w 级超短脉冲系统的研究，规模较小。天津大 学于1 9 8 2 年筹建了国内第一家飞秒激光实验室，该实验室于九十年代初实现了飞秒 激光由染料向固体研究方向的转移及小型高效飞秒强激光技术的研究。“，飞秒脉冲激 光的放大也仅限于t w 量级台面系统的研究。并在2 0 0 0 年建成了一套t w 系统。“，他 们采用的是再生加多程放大的c p a 技术路线。“。中科院物理所于1 9 9 9 年采用多程 放大的c p a 路线，建成了全钛宝石的r w 级c p a 系统“7 ”，输出功率为1 4 t w ，目前正 在提供物理实验运行。上海光机所是较早从事c p a 技术研究的单位，1 9 9 8 年建成了国 内首台峰值功率达5 4 t w ，重复率l o h z 的飞秒强激光装置”，并通过进一步升级，使 输出功率达到1 5 t w 。同时，他们还开展了o p c p a 研究“，输出功率大于i o t w 。 中国工程物理研究院激光聚变研究中心于2 0 0 2 年开始启动研制百t w 级超短脉冲 激光装置“，通过仅两年时间的研究，在2 0 0 4 年实现了脉宽小于3 0 f s ，峰值功率大 于2 8 0 t w ，聚焦功率密度大于1 0 2 0 w c m 2 的超短脉冲激光装置。该系统建成后，成为国 内最高峰值功率的超短脉冲激光装置，也是世界上少数几个能稳定运行在i o o t w 以上 的超短脉冲装置之一。 1 。3 论文的主要研究工作 首先阐述了超短超强脉冲的发展历程、需求背景以及目前国内外的发展概况。飞 秒超短脉冲激光在过去2 0 年内得到了迅速发展，脉冲宽度可以达到几个飞秒以下， 峰值功率可以达到p w 量级，聚焦后可以获得极高的峰值功率密度，获得极端的物态 条件。随着研究工作的进一步深入，超短超强脉冲激光将会在军事、科技和民用方面 呈现广阔的应用前景。 然后对飞秒脉冲的产生机理、c p a 系统中的脉冲展宽一压缩原理及高阶色散补偿、 啁啾脉冲放大过程中的各种物理效应等进行了分析和讨论。尤其针对激光脉冲放大传 输的模型进行了推导和简化，并获得了适合宽带脉冲放大的微分方程组。通过对该微 分方程组的数值求解，分析和讨论了啁啾脉冲传输的增益窄化和增益饱和效应。并且 针对时空二维分布的啁啾脉冲，对增益窄化和增益饱和对脉冲的共同作用作了分析。 对于实际中的多程放大结构，通过非线性薛定谔方程和粒子数方程相结合，对啁啾高 斯脉冲的多程放大电做了计算和分析。 第l 章绪论 由于放大过程中的增益窄化效应及脉冲通过光学介质时所附加的高阶位相在压 缩时不能被完全补偿，导致压缩后的脉冲时间波形不能完全恢复到初始脉冲的状态， 即脉冲的信噪比较低。声光光谱色散滤波器可以主动补偿放大过程中引入的光谱畸变 和附加的高阶色散，最大可能地保持放大过程中的光谱宽度，从而获得最窄的压缩脉 宽。 在实验上完成了全套百太瓦级超短超强脉冲激光装置的设计、加工、调试、测量、 各关