物像光柵自拼接在超短超強(qiáng)激光中的應(yīng)用問(wèn)題研究.pdf

1、近期，基于啁啾脈沖放大技術(shù)的超短超強(qiáng)拍瓦級(jí)（1拍瓦=1015W）激光的發(fā)展受到了光柵有限口徑的限制，因此不得不采用光柵拼接技術(shù)。傳統(tǒng)光柵拼接的高拼接難度和低光學(xué)效果不利于拍瓦級(jí)激光裝置的研制。因此，我們提出了一種新型技術(shù)叫做物像光柵自拼接，該技術(shù)大大緩解了上述兩個(gè)問(wèn)題。從目前來(lái)看物像光柵自拼接是解決拍瓦級(jí)激光壓縮器光柵尺寸不足的一個(gè)好辦法。由于物像光柵自拼接不存在前后位移拼接誤差，因此壓縮器輸出脈沖的脈寬抖動(dòng)問(wèn)題得到了解決，特別適合于飛

2、秒拍瓦激光系統(tǒng)。針對(duì)需求，本文將開(kāi)展物像光柵自拼接應(yīng)用在拍瓦級(jí)激光裝置的預(yù)研工作，全面圍繞潛在應(yīng)用問(wèn)題、相應(yīng)解決方案、小型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、應(yīng)用方案設(shè)計(jì)，以及輔助技術(shù)開(kāi)發(fā)進(jìn)行詳細(xì)研究。最終幫助解決拍瓦級(jí)激光裝置中壓縮器光柵尺寸不足問(wèn)題，并助力實(shí)現(xiàn)前所未有的超短超強(qiáng)激光輸出。
　　本論文的主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)介紹如下:
　　1)理論和實(shí)驗(yàn)解決了物像光柵自拼接技術(shù)的拼接精度、拼接穩(wěn)定性和拼接基準(zhǔn)監(jiān)測(cè)問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了近理

3、想拼接狀態(tài)的自動(dòng)獲取和穩(wěn)定維持。
　　a)建立了拼接光柵衍射光的電場(chǎng)分布模型，對(duì)傳統(tǒng)光柵拼接和物像光柵自拼接的拼接精度問(wèn)題進(jìn)行了理論分析。開(kāi)展了傳統(tǒng)光柵拼接和物像光柵自拼接的穩(wěn)定性對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示物像光柵自拼接具有更高的穩(wěn)定性，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行了理論解釋。開(kāi)發(fā)了一套物像光柵自拼接閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，獲得了近理想拼接狀態(tài)的快速自動(dòng)獲取及長(zhǎng)時(shí)間自動(dòng)穩(wěn)定維持;
　　b)針對(duì)物像光柵自拼接基準(zhǔn)光柵（物光柵）的穩(wěn)定維持問(wèn)題

4、，提出了一種光柵三維角漂在線監(jiān)測(cè)方法。監(jiān)測(cè)對(duì)象包括全維度光柵角漂，監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括大小和方向，監(jiān)測(cè)精度可以達(dá)到方位角±0.5μrad，俯仰角±0.5μrad和面內(nèi)角±1.67μrad。
　　2)解決了物像光柵自拼接壓縮器中的零級(jí)衍射光問(wèn)題和相關(guān)的色散修復(fù)問(wèn)題，理論模擬了光譜調(diào)制問(wèn)題和脈沖疊加問(wèn)題。
　　a)為了保證系統(tǒng)安全，沿光柵條紋方向傾斜壓縮器入射光以規(guī)避物像光柵自拼接中的零級(jí)衍射光進(jìn)入放大器。但規(guī)避方法會(huì)造成系統(tǒng)色散畸變，

5、針對(duì)釹玻璃皮秒拍瓦激光系統(tǒng)，提出了插入長(zhǎng)度優(yōu)化光纖和修正壓縮器光柵對(duì)間距的三階色散補(bǔ)償方法。針對(duì)鈦寶石飛秒數(shù)拍瓦激光系統(tǒng)，得到了壓縮器傾斜入射有利于放大器材料色散補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)論;
　　b)模擬了鈦寶石寬帶激光系統(tǒng)中物像光柵自拼接壓縮器的光譜調(diào)制問(wèn)題，以及釹玻璃大口徑激光系統(tǒng)中物像光柵自拼接壓縮器的脈沖疊加問(wèn)題。模擬結(jié)果顯示光譜調(diào)制問(wèn)題不會(huì)對(duì)壓縮脈沖產(chǎn)生明顯影響，脈沖疊加問(wèn)題不會(huì)造成壓縮器光柵損壞。
　　3)完成了物像光柵自拼接技

6、術(shù)在啁啾脈沖放大系統(tǒng)中的首次實(shí)驗(yàn)演示，針對(duì)十拍瓦激光系統(tǒng)提出了物像光柵自拼按壓縮器的設(shè)計(jì)方案，并提出了一種壓縮器輸出激光殘余角啁啾的測(cè)量方法。
　　a)在小型光參量啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)中實(shí)驗(yàn)演示了物像光柵自拼接壓縮器的時(shí)空效果，在時(shí)間上獲得了1.5倍傅里葉轉(zhuǎn)換極限脈寬，在空間上獲得了1.9倍衍射極限焦斑。同時(shí)開(kāi)展了與同等口徑無(wú)拼接光柵壓縮器的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示兩組實(shí)驗(yàn)的壓縮脈沖時(shí)空特性相一致;
　　b)提出了一種物像光柵自拼

7、按壓縮器在十拍瓦激光系統(tǒng)中的應(yīng)用方案設(shè)計(jì)，完全基于商品化光柵，解決了壓縮器光柵尺寸不足的問(wèn)題。此外采用分步式壓縮器結(jié)構(gòu)，包括前級(jí)壓縮器和后級(jí)壓縮器，減小了壓縮器和真空系統(tǒng)的規(guī)模。色散修正器的引入提高了色散管理質(zhì)量，降低了色散管理難度，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出脈寬的方便調(diào)諧;
　　c)為了確保拼接光柵壓縮器的效果，提出了一種殘余角啁啾精密測(cè)量方法。通過(guò)對(duì)輸出脈沖進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑分析，可以獲得殘余角啁啾數(shù)據(jù)。對(duì)于100mm口徑鈦寶石激光理論測(cè)