KDP晶体相位匹配角理论预测模型及其验证分析

在高功率固体激光器的终端光学组件内, 大口径薄型KDP (KH₂PO₄)晶体的精密装配和校准是实现惯性约束核聚变的关键技术之一. 为了达到晶体在线安装高效高精度的要求, 需要测量高功率激光三次谐波转换效率达到最高时的晶体相位匹配角分布. 本文针对Ⅰ/Ⅱ类大口径薄型KDP晶体三次谐波转换的方式, 根据晶体的非线性光学属性获得了晶体不同位置相位匹配角之间的关系; 根据激光束在晶体内的传输路径分析得到了晶体面形、相位匹配角与激光三次谐波转换效率达到最高时 晶体最佳偏转角之间的相互关系. 在此基础上, 建立了Ⅰ/Ⅱ类KDP晶体相位匹配角的理论预测模型, 并利用实验进行了验证和分析. 实验结果表明, 晶体相位匹配角的预测值与实验值之差在10.0 μrad以内, 验证了Ⅰ/Ⅱ类KDP晶体相位匹配角理论预测模型的正确性, 为获得晶体全口径相位匹配角分布提供了简单、高效的预测方法.     

大口径KDP晶体角度相位匹配离线测量精度研究

为满足惯性约束聚变(ICF)实验对激光驱动器高效三倍频能力的要求, 对离线测量晶体角度相位匹配方案进行了优化。采取的主要优化措施是:提高晶体准直技术能力;降低模拟小口径激光输出变化对测量不稳定性的影响。通过理论分析和对实际测量结果的系统分析,得到了晶体离线测量的不确定度:其中二倍频相位匹配角测量扩展不确定度为15.94 rad,三倍频相位匹配角测量扩展不确定度为27.8 rad,达到了较高的晶体离线测量精度要求。     

晶体面形畸变对三倍频转换效率的影响

在惯性约束聚变(ICF)领域,为了满足物理实验需求,需要采用短波长的紫外激光打靶。目前,国内外高功率固体激光装置普遍采用谐波转换的方式来获得三倍频紫外激光。高效的频率转换必须满足相位匹配条件,而晶体的反射面形畸变过大对准直精度和倍频效率均匀性都会产生不利影响。通过实验验证了晶体准直光斑的质量退化主要来源于晶体因夹持和重力导致的反射面形畸变,证明了改进晶体的夹持方式可以有效改善晶体面形,提高准直精度和准直光斑质量,并显著提升三倍频转换效率。     

KDP晶体杠杆式夹持方案分析

在惯性约束聚变(ICF)终端光学组件(FOA)的精密装校过程中,超大超薄KDP晶体面形在重力作用下会发生畸变,从而导致晶体内部晶轴发生改变,进而由于波前相位失配而极大地降低高功率激光的频率转换效率。针对大口径薄型Ⅰ/Ⅱ类KDP晶体在非垂直放置状态下出现的附加面形问题,利用有限元分析软件,建立了具有不同初始面形的KDP晶体及其"杠杆式"夹持系统的模型,对晶体经夹持系统夹持后的附加面形分布进行了仿真计算,并讨论了支撑条上表面的加工误差类型及大小、晶体初始面形对KDP晶体附加面形的影响。研究结果表明:"杠杆式"夹持系统能有效改善大口径薄型KDP晶体因重力作用而引起的附加面形变化;晶体边缘部分的加工误差对KDP晶体附加面形有较大影响。