高功率固体激光装置光学元件"缺陷"分布与光束近场质量的定量关系研究

基于光传输理论,获得了弱调制情况下光学元件"缺陷"分布功率谱密度 (power spectral density, PSD)与光束近场强度分布PSD之间的定量关系;通过数值模拟的方法,针对高功率固体激光装置的基本单元(线性介质、非线性介质以及空间滤波器)对获得的理论关系进行了具体的验证和讨论.研究结果表明,弱调制下,只存在振幅型或位相型"缺陷"分布时,光学元件"缺陷"分布PSD与光束近场强度分布PSD通过近场强度分布PSD的系统传输因子联系,传输因子与系统的构型和运行状态有关.研究结果为光学元件"缺陷"分布指标的获得提供了理论基础,对高功率固体激光装置负载能力的提升起到了一定的指导作用. 关键词： 缺陷分布 功率谱密度 光学元件 光束质量     

大口径光学元件波前功率谱密度检测

波前功率谱密度（PSD）被用于评价惯性约束聚变激光驱动器光学元件在中频区域的波前误差。高功率固体激光装置对大口径光学元件波前质量的要求有别于传统光学系统,要求对波前误差进行较高空间频率的测量。探讨了大口径光学元件波前的高空间分辨率检测技术,采用大口径相移干涉仪作为波前检测仪器,通过傅里叶变换获得波前一维功率谱密度分布。对惯性约束聚变激光驱动器的典型光学元件进行了波前功率谱密度的的检测和分析。     

高功率激光系统中近场滤波设计与理论模拟

基于经典耦合波理论,分析了透射型体Bragg光栅的衍射特性,建立了透射型体Bragg光栅的设计体系。采用带有调制的超高斯光束,对高功率激光系统的近场滤波进行了理论模拟,采用软化因子、近场调制度、近场对比度分析了输出光束的近场质量,采用功率谱密度函数分析了近场滤波对不同空间频率的滤除能力。研究结果表明,近场滤波对0.3～2.0mm-1的中、高频调制具有显著的滤除作用。     

高功率激光驱动器中小尺度自聚焦和噪声模型

 建立了一套线性的近似分析方法，研究高功率激光驱动器中强激光传输的小尺度自聚焦效应和相位噪声对光束传输和光束质量的影响，给出了系统噪声强度、B积分值与光束近场调制对比度之间的定量关系。研究表明,为保证输出光束质量，即近场调制对比度小于给定值，系统内的噪声强度必须符合一定的谱分布。     

波前功率谱密度函数评价方法探讨

 波前功率谱密度PSD（Power Spectral Density）能定量给出波前畸变的空间频率分布、限定波纹度和粗糙度指标，全面反映ICF驱动器对高功率激光光学元件加工质量的特殊要求。给出了波前功率谱密度PSD的定义及计算方法，并使用大口径相移干涉仪作为波前检测仪器，对光学磷酸盐钕玻璃透射波前进行了测试实验，获得波前一维PSD分布，证实功率谱密度为高功率激光光学元件波前参数的一种有效表征方式。同时，还对PSD与均方根RMS之间的关系进行了初步的讨论。     

光学元件波前畸变对驱动器光路设计的影响

高功率激光驱动器光路设计要考虑像传递、鬼像规避和杂散光管理等多项优化措施.基于衍射光学传播理论,从输出负载能力提升的角度研究大口径光学元件波前特性对驱动器光路设计参数优化的影响.研究表明,驱动器末级光路的排布间隔如果控制在6 m以上,将非常有助于提高激光驱动器的输出负载能力.一般情况下,波前峰谷值达到0.34λ的单块大口径光学元件能使高功率激光的近场光束质量最大下降约10%,达到1.36λ后最大下降约21%;波前分布特性不同的多片大口径光学元件的波前相消叠加有利于降低中频波前部分对装置负载能力的影响,但是,大口径光学元件的非线性效应会加重中频波前对装置输出负载能力的影响;在限定大口径元件损伤阈值20J/cm~2的前提下,光路排布紧凑的激光驱动器末级输入激光通量控制在16.8J/cm~2之下不易损伤光学元件.相对宽松的光路设计可以进一步提高末级输出激光的平均通量水平,非常有利于激光驱动器装置输出负载能力的提升.     

高功率激光光束经颗粒污染后的近场衍射效应

采用高功率激光驱动器设计软件Laser designer数值研究了激光光束经颗粒污染后的近场衍射特性. 对颗粒污染所产生的调制进行了分类, 并详细分析了真空和石英玻璃中, 振幅调制型和位相调制型颗粒污染对光束近场的影响. 研究结果表明, 无论在真空或石英玻璃中, 位相型颗粒污染对高功率激光光束的近场调制影响较大. 且在石英玻璃中, 位相型硬边颗粒污染所引起的高功率激光光束小尺度自聚焦热像调制现象相当严重. 而由颗粒污染引起光束强区的横向偏移, 却在一定程度对小尺度自聚焦有抑制作用.     

光学元件测试与设备

讨论了光学元件波面检测中,采用功率谱密度(PSD)作为重要评价参数的原因、相关的国际标准、PSD计算方法及PSD结果的评价准则等。虽然所进行的讨论主要是针对高功率激光系统中的光学元件检测,但对于其它应用领域的检测也是有借鉴意义的。     

光学元件“缺陷”对助推放大级光束质量的影响

 光学元件“缺陷”制约着高功率固体激光装置负载能力的提升。从统计角度建立了振幅调制型“缺陷”模型,并针对神光Ⅲ原型装置助推放大级分析了“缺陷”分布的统计参量与光束近场质量的关系,得到了一般规律。结果表明,“缺陷”总密度的增加和幂指数的减小都使系统输出光强的中高频成分增加,光束近场质量变差;总密度的变化引起光强各中高频成分变化的幅度近似相等,频率间相对比重基本保持不变,幂指数的变化却会引起各频率间相对比重发生变化;一定范围内,“缺陷”尺寸越大对近场质量的影响越严重;对于助推段,需将元件的“缺陷”总密度控制在600 cm^-2以下,幂指数控制在2.5以上。研究结果可为降低元件的损伤风险以提高系统的运行负载提供参考。     

780W全光纤窄线宽光纤激光器

高功率窄线宽光纤激光器在相干探测、功率光谱合成等方面具有广泛的应用前景.分析了高功率窄线宽光纤激光器中受激布里渊散射效应的抑制方法,以及正弦相位调制光谱展宽理论.采用正弦相位调制技术将单频激光器的线宽展宽至2.9 GHz,通过三级放大结构对输出功率为50 mW的窄线宽种子源进行放大,实现了中心波长1064.34 nm、线宽2.9 GHz、最大功率780 W的激光输出,光—光转换效率79%,光束质量M2x=1.44,M2y=1.43.分析了相位调制前后输出功率提高的原因,认为正弦相位调制增加的纵模降低了光纤中的功率谱密度,提高了输出激光的受激布里渊散射阈值,促使相位调制后的输出功率大幅提高.该激光器的输出功率仅受限于抽运功率,进一步提高抽运功率,有望实现更高功率的窄线宽光纤激光输出.     

诱导空间非相干束匀滑技术的近区特性及改善技术

诱导空间非相干技术是面向激光驱动惯性约束核聚变的一种具有自身独特优势的束匀滑方法.然而直接使用诱导空间非相干方法将引起强烈的近区强度空间调制,这将威胁装置的运行安全,并严重限制装置的最大输出能力.这也是该方法应用于聚变级高功率激光装置的主要技术障碍之一.本文介绍了一种通过双透镜滤波系统对诱导空间非相干束匀滑技术导致的近区空间强度调制进行匀滑的技术.利用该技术可以在保留诱导空间非相干束匀滑方法的先天优势(更好的远区匀滑特性)的前提下,获得均匀、稳定的近区强度分布,从而避免高功率激光系统在使用诱导空间非相干束匀滑技术时,因为近区强度不均匀、不稳定导致的器件损伤及输出能力受限.在理论建模和数值分析的基础上,以近区调制度、软化因子和透过率为主要评价指标,对比分析了方形、圆形、高斯型等3种滤波孔在不同尺寸下的近区输出效果,最终给出了一种典型的优化结果:16×16诱导空间非相干分割数、0.8倍衍射极限宽度、方形小孔.此时近区强度分布均匀,同时保证了较好的远区匀滑效果和高的能量利用率.在此基础上,针对装置的实际应用情况,进一步分析了准直误差对近区强度分布的影响,结果表明准直误差小于0.1倍衍射极限便不会影响输出的近区质量.对诱导空间非相干束匀滑方法所得焦斑的模拟分析表明,滤波系统的加入能进一步改善焦斑的低频不均匀性.     

采用透镜列阵与光谱色散改善三倍频小焦斑辐照均匀性

通过数值模拟研究了高功率激光驱动器的光束均匀辐照情况, 分析了三倍频激光辐照下小焦斑的光强分布及空间功率谱. 采用透镜列阵可降低光束近场畸变的影响并控制靶面焦斑的包络形状; 采用二维光谱色散匀滑技术可明显地消除焦斑内部大反衬度的强度调制, 且该方法在焦斑非常小的情况下也仍然有效. 大量的数值模拟结果表明, 光谱色散匀滑技术应用于尺寸不同的焦斑时, 其效果是有差异的. 对大焦斑而言, 光谱色散匀滑主要抹平其内部细密的条纹, 即消除中高空间频率范围的强度调制; 对小焦斑而言, 光谱色散匀滑主要消除中低空间频率范围的强度调制, 故将影响焦斑的整体包络形状. 本文所得的数值结果对间接驱动实验中激光束匀滑方案的选择和优化具有参考价值.     

Laser conferral of a directed character to near-field energy transfer

With sufficient intensity, an off-resonant laser beam can modify the character of electromagnetic near-field radiation produced by a nanoscale point source, narrowing its spatial distribution. The mechanism, for which the laser frequency is significantly off-resonant from the emission radiation, is detailed and analyzed through a quantum electrodynamical analysis. Results are calculated for various positions of a polarization-sensitive probe relative to the point source, sited within the throughput beam, and contour maps exhibit variations in the registered signal over a range of input intensities. A key feature is the clear exhibition of directed propagation features, usually emergent only in the wave zone, within the near-field region of the source.     

近红外激光照明器均匀性评价技术研究

近红外激光照明是在低照度情况下,用近红外激光作为光源对远距离目标进行主动照明.由于激光的产生机制、匀光装置和照明器采用的光学系统公差、大气湍流等因素,近红外激光光束在目标面上的光强空间分布不均匀,对成像、观测准确度产生较大影响.本文提出采用近红外激光光强功率谱衡量照明近红外激光光强分布均匀性,即采用归一化后光强功率谱所围成的面积作为衡量近红外激光照明均匀性的参量.利用这种方法,对不同的近红外激光照明器,在相同的工作状态下的照明均匀性评估参量进行了研究,结果验证了采用归一化后光强功率谱所围成的面积作为评价参量的合理性.     

近场强度分布对线性相位反演算法复原效果的影响

利用数值仿真的方法详细的分析了近场强度分布对线性相位反演算法复原效果的影响.对近场强度分布分别为倾斜、环形和高斯随机型的情况下的复原结果与光强均匀时的复原结果进行对比,结果表明像倾斜型这种大部分为奇函数的近场强度分布对复原效果的影响比较恶劣;而像环形、随机型这样的偶函数或大部分为偶函数的近场强度分布对复原效果的影响则不...     

无外加氟施主产生KrF准分子发射谱实验研究

We report a new technique to suppress the low-spatial-frequency rings and ripples (LSFRs) of laser near-field intensity distribution in the spatial filter (SF) used in ICF laser drivers. This technique employs a spatial filter with Gaussian transmission, instead of the hard-edged pinhole, at the confocal plane of a Newtonian telescope. The resulting beam has a super-Gaussian transverse intensity profile without the LSFRs that certainly appear when a hard-pinhole was used as a filter in the conventional technique.     

Adaptive ultrafast nano-optics in a tight focus

We theoretically demonstrate the control of electromagnetic field properties on a sub-diffraction length scale, by polarization shaping of tightly focused femtosecond laser pulses. The field distribution in a tight focus is represented as a superposition of plane waves. The near-field of a model nanostructure is then obtained as a sum of the near-field distributions induced by the planar waves components. A self-consistent solution of Maxwell’s equations in the frequency domain yields the near-field distributions for planar wave illumination. Adaptive optimization of the incident polarization pulse shape using an evolutionary algorithm allows controlling of a number of observables, such as local nonlinear flux, simultaneous spatial and temporal control of the intensity evolution, and control of the local spectrum. The tight focusing reduces the controllability of the flux distribution in comparison to plane wave illumination. However, it is still possible to control the spatial and temporal field evolution for particular locations in the vicinity of the nanostructure. PACS 42.65.Re; 78.47.+p; 78.67.-n; 82.53.-k     

干涉仪系统传递函数测量及影响因素的分析

波前功率谱密度(PSD)被用于评价惯性约束聚变(ICF)激光驱动器光学元件中频段的波前误差。干涉仪对PSD较高空间频率分量的测量存在失真效应,可通过干涉仪系统传递函数(STF)的检测标定来获得真实的波前PSD分布。采用台阶板位相比较法测得大口径菲索相移干涉仪检测系统在透射和反射检测情形下的传递函数。对传递函数测试算法进行了比较分析,明确了干涉仪系统zoom倍率的改变等因素对传递函数测量的影响,为波前PSD的准确检测奠定了基础。