高功率激光非線性過程中的光束質(zhì)量與傳遞特征

1、高功率激光非線性過程中的光束質(zhì)量與傳遞特征    隨著固體激光材料的廣泛應(yīng)用和克爾透鏡鎖模技術(shù)的成熟,超快光學(xué)技術(shù)獲得了長足的發(fā)展。針對大型釹玻璃激光裝置的需求牽引,本文著重研究了高功率激光非線性過程中光束質(zhì)量與特性的傳遞過程,涉及1m波長光經(jīng)三次諧波轉(zhuǎn)換后獲得的紫外激光束空間光束質(zhì)量及其在空氣中傳輸時的拉曼散射效應(yīng);通過分析光參量放大過程中的位相轉(zhuǎn)移機制,提出采用走離補償方式來消除泵浦光不良相位的影響,重建信號光的相位,獲得空間光束質(zhì)量良好的信號光束。這些研究工作是根據(jù)實驗中遇到的各情況,從理論上闡釋其產(chǎn)生機制;反過來,得到的理論結(jié)果對于實驗也有一定的

2、指導(dǎo)意義。本文分以下部分進(jìn)行論述:第一章,概述非線性光學(xué)的發(fā)展及現(xiàn)狀,并著重介紹超快光學(xué)發(fā)展的重要技術(shù)和超快激光頻率轉(zhuǎn)換的主要方式。激光的發(fā)明開啟了非線性光學(xué)領(lǐng)域研究的大門,而其在此后的近半個世紀(jì)的長足發(fā)展又得益于一些關(guān)鍵技術(shù),包括:可靠易用的鎖模超短脈沖激光振蕩器的出現(xiàn),其代表是克爾透鏡鎖模的鈦寶石激光器;光參量啁啾脈沖放大(OPCPA)技術(shù),極大的解決了超快激光放大所面臨的激光介質(zhì)非線性破壞的可能性;實用的超快激光診斷技術(shù),主要是時間和頻率分辨的光學(xué)自相關(guān)技術(shù)等。在此基礎(chǔ)上,新的非線性光學(xué)晶體的引入,使得依靠非線性光學(xué)手段特別是光參量放大技術(shù)實現(xiàn)頻率調(diào)諧得到很大的發(fā)展,可獲得更高功率超短脈

3、沖,有望實現(xiàn)激光驅(qū)動的受控核聚變,從而獲得巨大的能源。第二章,介紹了非線性光學(xué)的基礎(chǔ)知識。介紹了一般的非線性過程三波相互作用的耦合波方程組,討論了群速度色散效應(yīng)及其控制與補償、位相匹配條件與方法,并簡要敘述了一些三階非線性效應(yīng),如三倍頻(THG)、飽和吸收(SA)、雙光子吸收(TPA)、受激拉曼散射(SRS)、光克爾效應(yīng)(OK)、自聚焦(SF)、四波混頻(FWM)等。第三章,三倍頻光的空間特性及其在空氣中傳輸?shù)腟RS效應(yīng)。為了滿足慣性約束核聚變研究中對于三倍頻系統(tǒng)的要求,我們分析了影響三倍頻轉(zhuǎn)換效率和光束質(zhì)量的物理因素,包括基頻光光強大小、偏振匹配角大小、基頻光小尺度振幅和位相擾動的影響等。使

4、用微擾理論分析了高功率激光的三次諧波在空氣中的受激拉曼散射(SRS)效應(yīng),發(fā)現(xiàn)由于晶體表面紋波而導(dǎo)致的三次諧波的強度調(diào)制會因為受激拉曼散射而加劇,增益不穩(wěn)定性也會隨著空間調(diào)制周期的增大而加劇?；诜蔷€性耦合波方程組的數(shù)值模擬證明了微擾分析的正確性。第四章,OPA/OPCPA過程泵浦光向信號光的位相傳遞。主要分析了泵浦光位相有調(diào)制時光參量放大(OPA)/光參量啁啾脈沖放大(OPCPA)過程中信號光的空間特性。由于走離效應(yīng)引起的泵浦光向信號間的位相轉(zhuǎn)移與增益有關(guān),在高增益OPA系統(tǒng)中,即使走離很小,也會使信號光光束質(zhì)量嚴(yán)重降低,同時引起光束波面傾斜、波面發(fā)散/會聚。采用走離補償?shù)腛PA結(jié)構(gòu)可減弱相

5、位轉(zhuǎn)移幅度,從而保證信號光光束質(zhì)量,這對于設(shè)計高能量光參量啁啾脈沖放大系統(tǒng)使非常重要的。第五章,本章理論分析了泵浦光有調(diào)制時光參量放大(OPA)過程的空間特性。數(shù)值計算表明當(dāng)存在走離時,轉(zhuǎn)移到信號光的位相調(diào)制的幅度會隨非線性作用的長度的增加而增大,且在信號光初始位相無畸變時,其感應(yīng)到的位相畸變?yōu)楸闷止馕幌嗾{(diào)制的微分。泵浦光的強度調(diào)制同樣會影響輸出信號光,同時數(shù)值分析了泵浦光畸變部分轉(zhuǎn)移到信號光的這種效應(yīng)對信號光的增益(效率)的影響。我們證明在泵浦光為非衍射極限光束時,輸出信號光的增益的最大值是在k0的情況下獲得的。這些結(jié)果對OPA系統(tǒng)的設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。同主題文章1. 

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