（光学专业论文）大能量高功率啁啾脉冲传输特性研究.pdf

四川大学博士学位论文大能量高功率啁啾脉冲传输特性研究光学专业研究生楚晓亮指导教师蔡邦维超短脉冲系统中啁啾脉冲的传输特性和光束质量一直是人们所关心和重视的问题。在啁啾脉冲放大过程中，增益介质内放大自发辐射( a s e ) 、增益窄化、增益饱和、自相位调制、自聚焦以及放大介质中的色散等效应均会影响输出脉冲的空间分布、时间波形以及频谱分布，从而严重影响脉冲的有效放大、压缩及光束质量。如何有效地减小或避免这些不利因素的影响，在提高系统输出功率的同时改善光束质量，一直是高功率超短脉冲系统研究工作的重点和难点之一。本论文针对高功率超短脉冲系统中放大自发辐射效应对钛宝石介质储能特性的影响以及啁啾脉冲的线性、非线性传输和放大特性等问题开展研究工作。取得的主要研究结果包括：一、采用速率方程和二维光线追迹，对放大介质内放大自发辐射( a s e ) 的时间特性以及a s e 对放大介质的储能分布的影响进行了计算分析，计算中考虑了不同辐射线型对储能的影响，研究了a s e 对不同厚度的增益介质的储能分布的影响，提出了抑制钛宝石放大器a s e 的措旋，并对s i l e x - - i 超强超短脉冲激光系统中主放大器的储能进行了模拟计算。二、利用非线性薛定谔方程，对啁啾脉冲在传输和放大过程中的增益窄化、增益饱和、色散、自相位调制等效应进行了模拟计算和分析，计算分析了啁啾脉冲在放大自发辐射影响下的传输特性。研究结果表明，色散和自相位调制等效应对啁啾脉冲的影响不大而对压缩后的飞秒脉冲存在明显影响。增益窄化效应、增益饱和效应以及a s e 将引起啁啾脉冲的时空分布产生畸变，从而影响光束质量。三、采用非线性薛定谔方程并结合速率方程，对啁啾脉冲的多程放大问题进行四川大学博士学位论文了研究，编制了模块化的计算模拟程序。针对s i l e x i 系统的3 t w 前端系统和1 0 0 t w 主放大器进行了模拟计算，并与实验结果进行比较分析，说明编制的计算程序可对高功率超短脉冲系统的放大能力进行预估。四、提出了单程和多程放大的逆算算法，开展啁啾脉冲激光单程、多程放大逆问题的研究。对3 t w 系统进行了逆算模拟和实验研究。在此基础上，通过模拟声光可编程色散滤波器( a o p d f ) 对输入脉冲光谱的整形来计算输出脉冲的形状，并与实验结果做了对比分析，说明逆算的结果可以对声光可编程色散滤波器的光谱整形提供理论参考。五、分析了时空不稳定性理论。将准离散h a n k e l 变换( q d h f ) 算法应用到求解非线性薛定谔方程的分步法中，并对其进行了误差分析，验证了其可行性。六、采用非线性薛定谔方程，对啁啾脉冲的全光束自聚焦和小尺度自聚焦进行了模拟计算和分析，并与飞秒脉冲的结果进行了比较。研究结果表明，同样条件下，飞秒脉冲不易发生自聚焦和小尺度成丝。而碉瞅高斯脉冲全光束自聚焦和小尺度成丝特性与长脉冲( 纳秒量级) 的自聚焦特性相同，即可以采用长脉冲自聚焦理论来解决啁啾脉冲的自聚焦问题。论文研究方法和结果可以为高功率啁啾脉冲放大系统的优化设计以及啁啾脉冲光束质量的改善提供理论参考。关键词：掺钛蓝宝石放大自发辐射( a s e ) 啁嗽脉冲增益窄化增益饱和逆问题自聚焦四川大学博士学位论文s t u d yo nt h ep r o p a g a t i o np r o p e r t i e so fc h i r p e dp u l s ew i t hh i g hp o w e ra n de n e r g ym a j o ro p t i c ss t u d e n tx i a o l i a n gc h us u p e r v i s o rb a n g w e ic a it h ep r o p a g a t i o np r o p e r t i e sa n db e a mq u a l i t yo ft h ec h i r p e dp u l s ei nt h eu l t r a s h o r tp u l s es y s t e ma r ea l w a y st h ei n t e r e s t e dp r o b l e m s d u r i n gt h ep r o c e s so ft h ec h i r p e dp u l s ea m p l i f i c a t i o n ，t h es p a t i a ld i s t r i b u t i o n ，t e m p o r a lp r o f i l ea n ds p e c t r u md i s t r i b u t i o no ft h eo u t p u tp u l s ea r ea f f e c t e db yt h ee f f e c t s ，s u c ha st h ea m p l i f i e ds p o n t a n e o u se m i s s i o n ( a s e ) ，g a i nn a r r o w i n g , g a i ns a t u r a t i o n ，s e l f 巾h a s em o d u l a t i o n ，s e l f - f o c u s i n ga n dt h ed i s p e r s i o ni nt h eg a i nm e d i u m ，r e s u l t i n gi nt h ei n f l u e n c eo nt h ea m p l i f i c a t i o n ，c o m p r e s s i o na n db e a mq u a l i t yo ft h ep u l s e h o wt od e c r e a s eo ra v o i dt h ea b o v ee f f e c t s ，a sw e l la si n c r e a s i n gt h eo u t p u tp o w e ra n di m p r o v i n gt h eb e a mq u a l i t ya r et h ei m p o r t a n ta n dd i f f i c u l tr e s e a r c hw o r ko nt h eh i l 班p o w e ru l t r a s h o r tp u l s es y s t e m t h eg o a lo ft h i st h e s i si st os t u d yt h ei n f l u e n c eo ft h ea m p l i f i e ds p o n t a n e o u se m i s s i o no nt h es t o r ee n e r g yo ft h et i ：s a p p h i r ea n dt h ep r o p e r t i e so fl i n e a ra n dn o n l i n e a rp r o p a g a t i o na n da m p l i f i c a t i o n t h em a i nr e s u l t so b t m n e di nt h i st h e s i sc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ：1 t h et e m p o r a lp r o p e r t i e so ft h ea m p l i f i e ds p o n t a n e o u se m i s s i o ni nt h eg a i nm e d i u ma n dt h ei n f l u e n c eo fa s eo nt h ed i s t r i b u t i o no fs t o r ee n e r g yw e r ec a l c u l a t e da n da n a l y z e db yu s i n gp o p u l a t i o ne q u a t i o na n d2 dr a y t r a c i n g ，i nw h i c ht h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n te m i s s i o np r o f i l eo nt h es t o r ee n e r g yo ft h em e d i u mw a sc o n s i d e r e d t h ei n f l u e n c eo fa s eo nt h es t o r ee n e r g yd i s t r i b u t i o no ft h eg a i nm e d i u mw i t hd i f f e r e n tt h i c k n e s sw a sd i s c u s s e da n dt h em e t h o d su s e dt os u p p r e s st h ea s eo ft h et i ：s a p p h i r ea m p l i f i e rw e r ep r o p o s e d f u r t h e r m o r e ，t h e四川大学博士学位论文s t o r ee n e r g yd i s t r i b u t i o no ft h em a i na m p l i f i e ro ft h es i l e x is y s t e mw a sc a l c u l a t e da n ds i m u l a t e d 2 d u r i n gt h ep r o c e s so ft h ep r o p a g a t i o na n da m p l i f i c a t i o no ft h ec h i r p e dp u l s ei nt h eg a i nm e d i u m ，t h ee f f e c t so ft h eg a i nn a r r o w i n g , g a i ns a t u r a t i o n ，d i s p e r s i o n ，s e l f - p h a s em o d u l a t i o nw e r es i m u l a t e da n da n a l y z e db yu s i n gt h en o n l i n e a rs c h r e d i n g e re q u a t i o n t h er e s u l t sh a v es h o w nt h a tt h ei n f l u e n c eo ft h ed i s p e r s i o na n ds e l f - p h a s em o d u l a t i o no nt h ec h i r p e dp u l s ew a ss l i g h tb u td i s t i n c tt ot h ef e m t o s e c o n dp u l s e t h ed i s t o r t i o no ft h et e m p o r a la n ds p a t i a lp r o f i l e sw a si n d u c e db yt h eg a i nn a r r o w i n g ，g a i ns a t u r a t i o na n da s e ，l e a d i n gt ot h eb e a mq u a l i t yw o r s e n i n g 3 b a s e do nt h en o n l i n e a rs c h r e 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 em u l t i p a s sa m p l i f i c a t i o no fc h i r p e dp u l s ew a ss t u d i e da n dt h es i m u l a t i o nc o d ew a sb u i l tu p t h e3 t wf o n te n ds y s t e ma n d1 0 0 t wm a i na m p l i f i e ro ft h es i l e x - is y s t e mw e r es i m u l a t e da n dt h er e s u l t sw e r ec o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，s h o w i n gt h a to u rc o d ec a nb eu s e dt oe s t i m a t et h ea m p l i f i e dc a p a b i l i t yo ft h eh i g hp o w e ru l t r a s h o r tp u l s es y s t e m 4 t h ei n v e r s ea r i t h m e t i co ft h es i n g l ep a s sa n dm u l t i - p a s sa m p l i f i c a t i o nw e r ep r o p o s e da n dt h ei n v e r s ep r o b l e mo ft h ec h i r p e dp u l s ew i t hs i n g l ep a s sa n dm u l t i - p a s sa m p l i f i c a t i o nw a ss t u d i e d t h ei n v e r s es i m u l a t i o na n dt h ec o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n tw e r ep e r f o r m e df o rt h e3 t ws y s t e m f u r t h e r m o r e ，t h ep r o f i l eo ft h eo u t p u tp u l s ew a sc a l c u l a t e db ys i m u l a t i n gt h es p e c t r u mo ft h ei n p u tp u l s es h a p e db ya c o u s t o o p t i cp r o g r a m m a b l ed i s p e r s i v ef i l t e r ( a o p d f ) a n dc o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，s h o w i n gt h a tt h ei n v e r s ec a l c u l a t i o nr e s u l t sc a np r o v i d et h ev a l u e dr e f e r e n c ef o rt h ea o p d fs h a p i n g 5 t h es p a t i o t e m p o r a li n s t a b i l i t yt h e o r yw a si n t r o d u c e da n da n a l y z e d t h ea r i t h m e t i co ft h eq u a s i 二d i s c r e t eh a n k e lt r a n s f o r m ( o d h f ) w a su s e dt os p l i tm e t h o df o rs o l v i n gt h en o n l i n e a rs c h r e d i n g e re q u a t i o n t h ee r r o ra n a l y s i so ft h eo d h fa r i t h m e t i cw a sd o n e ，s h o w i n gt h ef e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t yo ft h ea r i t h m e t i c 6 t h es e l f - f o c u s i n ga n ds m a l ls c a l es e l f - f o c u s i n go fc h i r p e dp u l s ew e r es i m u l a t e da n da n a l y z e db yu s i n gt h en o n l i n e a rs c h r e d i n g e re q u a t i o na n d四川大学博士学位论文c a l c u l a t e dr e s u l t sw e r ec o m p a r e dw i t ht h o s eo ff e m t o s e c o n dp u l s e t h er e s u l t sh a v es h o w nt h a tt h es e l f - f o c u s i n ga n dt h es m a l l s c a l ef i l a m e n t a t i o nd i dn o tt e n dt oo c c u rf o rt h ef e m t o s e c o n dp u l s eb u to c c u r r e df o rt h ec h 打p e dp u l s ef o rt h es a m ec o n d i t i o n t h et h e o r yo ft h el o n gp u l s ec a l lb eu s e dt os o l v et h ep r o b l e mo ft h ec h i r p e dp u l s es e l f - f o c u s i n g t h et h e o r e t i c a lm e t h o d sa n dr e s u l t si nt h i st h e s i sw o u l db eu s e f u lf o rt h eo p t i m a ld e s i g no fh i g hp o w e ru l t r a s h o r tp u l s es y s t e m sa n di m p r o v i n gt h eb e a mq u a l i t yo ft h ec h i r p e dp u l s e k e y w o r d ：t i ：s a p p h i r ea m p l i f i e ds p o n t a n e o u se m i s s i o n ( a s e ) c h i r p e dp u l s eg a i nn a r r o w i n gg a i ns a t u r a t i o ni n v e r s ep r o b l e ms e l f - f o c u s i n gv四川大学博士学位论文第一章引言1 1 超短脉冲的发展历程自从1 9 6 0 年第一台激光器问世以来，由于激光具有单色性好、相干性好、方向性好、高亮度等一系列优点，从而不断地影响和改变人们的生活。在过去的几十年里，激光技术已经渗透到生物、化学、物理、医学等领域，形成激光物理学、激光化学、激光生物学和激光医学等许多新的边缘学科；涉及到科研领域、环保领域、计量领域、交通运输领域、生物化学领域等方面，其潜力无穷。1 1 1 超短脉冲发展所经历的阶段激光自出现以来一直朝着提高功率、扩展波长范围、缩短脉冲宽度以及全固态化、小型化的方向发展。就目前阶段来说，所谓超短脉冲是指激光脉冲宽度在皮秒到飞秒范围的脉冲激光。对于以后出现的比飞秒还短的脉冲也称为超短脉冲。超短激光脉冲技术通常是指与皮秒( 1 0 d 2 s ) 或飞秒( 1 0 4 5 s ) 级脉宽激光脉冲的产生、测量及放大等相关的技术。从1 9 6 0 年激光器问世以来，主要经历了三次缩短脉冲宽度的革新，即调q 激光技术阶段、锁模激光技术阶段和啁啾脉冲放大阶段，几乎每项技术都代表着激光发展的一个重要阶段。自1 9 6 5 年用被动锁模红宝石激光器获得皮秒脉冲而进入超短范围以来，超短脉冲技术发展十分迅速。7 0 年代中期出现了对撞锁模环形染料激光器，使激光脉冲的宽度进入飞秒范围。至8 0 年代中期，对撞锁模环形染料激光器的脉冲宽度达到了2 7 f s 1 1 】。9 0 年代，利用克尔透镜锁模技术，结合运用钛宝石作为增益介质，超短脉冲激光器进入了全固化时代。总的说来，超短脉冲的发展大致概括为以下几个阶段【1 2 】：( 1 ) 6 0 年代中期1 0 固1 0 。1 0 s 为第一阶段，其特征是各种锁模理论的建立和各种锁模方法的实验探索，在这一时期里调q 技术占有统治地位。这属于超短激光脉冲的初始阶段。( 2 ) 7 0 年代中后期1 0 4 1 1 0 1 2 s 为第二阶段，由于锁模技术的出现使脉冲的脉宽又缩短了近三个量级，使脉冲进入超短脉冲范围。这一阶段的特征是四川大学博士学位论文各种锁模方式和理论( 如主动锁模、被动锁模、同步泵浦锁模等) 逐步成熟，并在物理和化学领域展开了皮秒( 1 0 4 2 s ) 级的初步应用。( 3 ) 8 0 年代为第三阶段，其主要特征是脉冲宽度已进入飞秒( 1 0 。1 5 s ) 阶段，以所谓碰撞锁模染料激光器为代表。碰撞锁模染料激光器就其基本锁模原理面言，仍属于被动锁模范畴，在锁模方法和机理上并不存在根本意义上的突破。但由于脉冲碰撞效应，使激光脉冲进入了飞秒量级，从而对超短激光领域带来了深刻的影响。( 4 ) 9 0 年代初开始了超短激光脉冲的第四阶段。这一阶段的主要特征并不是表现在脉冲宽度的进一步压缩上，而是表现在产生飞秒激光的介质方面有了新突破。飞秒激光器广泛采用掺钛蓝宝石晶体作为增益介质，掺钛蓝宝石的荧光带宽大于4 0 0 r i m ( 光谱范围为6 9 0 n m 1 1 0 0 n m ) 。理论上，掺钛蓝宝石激光器可以支持l 2 f s 的光脉冲，实际上由于超短脉冲形成机理间的相互制约，达不到如此窄的宽度。另外，钛宝石晶体具有高的饱和通量密度( 约0 9 j c m 2 ) 、高的损坏闳值( 约8 1 0 j c m 2 ) 、较长的上能级寿命( 约3 2 0 s ) 、好的热导性( 4 6 w m k ，3 0 0 k 处) 等特点，而且，它在5 0 0 h m 处有最大吸收截面( 约6 51 0 。2 q 锄2 ) ，从而使倍频y a g 激光器可以作为它理想的泵浦源。掺钛蓝宝石激光器的产生使飞秒激光器向固态发展。由于钛宝石的广泛应用，使得建立全固化超短激光系统以获得高功率激光脉冲成为可能。在这一阶段内，激光功率放大系统又可分为如下三大发展方向【1 3 l ：第一个发展方向是重复率在5 0 h z 以下、脉宽较小、脉冲能量较高( 焦耳量级) 、峰值功率较高的激光放大系统，增益介质主要是掺钛蓝宝石i 第二个发展方向是重复频率高的系统，一般重复频率在1 k h z 以上；第三个发展方向是高能量、低重复频率系统，这类系统主要采用高效储能大孔径介质，如用钕玻璃或是钛宝石钕玻璃混合系统作为放大介质，形成新一代高功率超短脉冲固体激光器。纵观超短脉冲技术发展的四个阶段，在短短的二十年内，已将超短脉冲压缩了将近5 6 个量级。如此短的脉冲宽度在超快物理与化学过程的研究、超高速通信方面的应用等领域正发生着不可替代的作用。与此相应的是，激光脉冲的峰值功率也变得越来越高，如果将放大后的激光束进行聚焦，其峰值功率还将提高几个数量级，如此高的峰值功率将使其在激光与物质相互作用、受控核聚变、相对论等离子体物理、激光加工以及其它领域中可以开辟更多的应用。四川大学博士学位论文1 1 2 激光锁模技术及钛宝石激光器的发展在超短脉冲激光技术发展过程中，锁模技术是获得超短脉冲的主要技术，而以后实现的稳定自锁模运转是飞秒固体激光器发展的重大突破。目前，激光的锁模方式主要有主动锁模和被动锁模两大类。主动锁模是安装一种调制器作为光开关，只有调制开关开启时到达的光脉冲才被放大。被动锁模方式采用可饱和吸收体作为光开关，激光在腔中来回振荡不断放大，当光强超过吸收体的饱和光强时，可饱和吸收体瞬时漂白使强光得以通过，并输出光脉冲。飞秒固体激光器采用一种被动锁模技术，使固体激光器实现了快速可饱和的类吸收作用。其中，利用介质克尔效应的克尔透镜锁模在飞秒钛宝石激光器中得到了广泛的应用。其工作原理是利用增益介质，即掺钛蓝宝石的光克尔效应【1 4 , l 5 。巍强度光荣低强度光柬图11 1 克尔透镜锁模原理图克尔效应导致与光强有关的光束分布的变化，此时，介质的折射率为以；+ 阼，式中，n o 为弱光情况下介质折射率，1 2 为非线性折射率系数，由光克尔效应决定。如果激光为高斯光束，克尔效应就会将高斯光束聚集到中心，形成一个与光强有关的缓变折射率凸透镜。如果在谐振腔中随着强度增大而模尺寸减小的位置处插入一个光阑，就能获得快速的可饱和吸收体作用，使锁模的脉冲光束无损耗通过而连续光束将部分被阻挡。于是，连续光的损耗远大于脉冲光，从而保证了脉冲光的振荡和输出。由于克尔透镜效应，窄脉冲的高峰值功率使其空间高斯光束能够比宽脉冲低峰值功率更有效地从泵浦的激活区域中获取更大的增益。这意味着，具有低瞬时功率的脉冲前沿和后沿的削减和具有高瞬时功率的脉冲中部的增强，这实际上是一个非常有效的脉冲压缩动力学四川大学博士学位论文过程【1 一。简单的原理如图1 1 1 所示，图中示出了将光束的空间分布与功率相关的变化转换成幅度调制，此时，光阑对强光束的透射要比低功率光束的高。1 9 9 1 年，s p e n c e 等人利用氩离子激光做泵浦源，用s f l 4 棱镜补偿腔内色散，首次研制成功以掺钛蓝宝石为增益介质，输出脉宽为6 0 f s 的飞秒自锁模激光器，标志着固体飞秒激光器进入了一个新的发展阶段【1 6 】。由于这类激光器的构造简单，造价低，又不需要很多锁模元件就可产生超短脉冲，因此，致力于固体自锁模激光器的研究如雨后春笋般的开展起来。同年，华盛顿州立大学的g u a n g 等人通过选择腔内棱镜对的材料来补偿群速度色散，用自锁模振荡器获得了3 2 f s 的输出脉冲 1 7 。1 9 9 2 年，h u a n g 等人又进一步补偿三阶色散进而获得了1 7 f s 的输出脉冲【1 8 】。1 9 9 3 年，该大学a s a k i 和h u a n g 等人又获得了l l f s 的输出脉冲【1 9 1 。1 9 9 5 年，奥地利的s t i n g l 等人利用啁啾介质镜来控制色散，成功地获得了小于1 0 f s 的脉冲 1 10 1 。1 9 9 8 年，美国的m o r g n e r 等人获得了小于5 4 f s的脉冲 1 1 1 1 。同年，程昭在奥地利获得了5 f s 的脉冲【11 2 1 。1 9 9 9 年，瑞士的s u t t e r等人采用半导体饱和吸收镜( s e s a m ) 技术，产生了4 8 f s 的脉冲【1 1 3 1 ，这是从振荡器直接产生的最短脉冲。1 9 9 7 年，意大利的n i s o l i 等人获得了压缩为4 5 f s的脉冲【1 1 “。2 0 0 2 年，日本东京大学的b a l t u g k a 等人采用光参量放大( o p a )技术和可编程色散控制，获得了4 f s 的压缩脉冲【1 1 5 1 。1 1 3 啁啾脉冲放大( c p a ) 技术早期的飞秒脉冲的能量都比较低( 约在纳焦量级) ，功率也大约在兆瓦量级，从而限制了其应用范围。因此，在不断研究如何获得更短脉冲激光的同时，科学家们也在利用激光放大获取超高功率激光方面开展了大量研究工作。然而，超短脉冲激光在直接放大过程中，当其峰值功率高到一定程度的时候，一方面由于增益饱和使其从介质中抽取的能量变得低效甚至无效。另一方面，高峰值功率的飞秒光脉冲通过介质时将表现出极强的非线性效应和破坏效应。为提高激光的输出能量，科学家不断扩大激光器的输出口径及增加激光的输出路数。然而，激光器的输出口径受目前技术的限制不能做得太大，而且，增加激光器的输出路数也会带来其它问题并增加成本。因此，激光器的输出光强一直在1 0 1 2 w c m 2 左右徘徊。为此，1 9 8 5 年，m o u r o u 等人提出了啁啾脉冲放大( c h i r p e dp u l s ea m p l i f i c a t i o n 简称c p a ) 技术【1 1 6 l ，这是超短超强( 1 0 1 8 w c m 2 ) 脉冲激四川大学博士学位论文光发展的一个重要里程碑。其基本思想为，先将超短脉冲进行展宽，将飞秒光脉冲展宽至几百皮秒，使其峰值功率降低3 4 个数量级。然后，使之在放大器中放大。最后，再将放大了的脉冲进行压缩。图1 1 2c p a 技术示意图图1 1 2 给出了c p a 技术示意图。具有线性啁啾的宽脉冲经过放大介质时，足以充分抽取能量并有效地抑制非线性效应和激光破坏行为。将脉宽极窄的飞秒量级的种子脉冲经展宽器展宽后再放大，从而提高了系统放大级的能量提取效率，以及有效地克服了非线性效应的影响。获得足够的脉冲能量后，再利用压缩器将脉宽进行压缩从而获得超短超强的激光脉冲。目前，啁啾脉冲放大技术成为产生大能量超短脉冲的重要手段，基于啁啾脉冲放大技术原理的各种放大装置相继产生，其性能也不断得到完善。运用啁啾脉冲放大技术实现大功率、超短脉冲钛宝石激光系统运转，是目前激光研究领域较为热点的研究课题之一。1 2 高功率超短超强脉冲激光装置的发展c p a 技术的应用，成为高功率脉冲发展的一个重要里程碑，从而使激光功率得以快速地提高。图1 2 1 示出了激光功率的发展历程。从图中可以明显看出，c p a 技术是使激光功率发生飞跃的重要手段。并且，图中还反映出激光功率到达拍瓦后还在继续上升。超短脉冲装置向大能量、高功率方向发展成为目前发展方向之一。许多大型的高功率超短脉冲装置已经建成，还有许多国家和科研四川大学博士学位论文机构正在建设或计划建立大型的高功率系统。图1 2 1 高功率激光发展的历程1 2 1 高功率超短超强脉冲发展的主要牵引超短脉冲激光最直接的应用就是人们利用它作为光源，形成了多种时间分辨光谱技术和探测技术。另外，超短脉冲在激光加工、医疗、信息的传输存储等领域都有广泛的用途。然而，高功率超短超强激光系统的建立主要是由研究强场物理和进行快点火概念的探索需求所牵引。1 强场物理对于传统的长脉冲激光所产生的电场对在原子内场束缚下运动的电子来说，不过是一种极小的微扰，这种思维统治着物理学界，整个传统的物理大厦也几乎全部建立在微扰理论的基础上【1 1 ”。而超短超强脉冲激光产生的光场高达1 0 2 0 w c i i l 2 ，甚至1 0 2 2 w c m 2 ，使激光电场数百倍甚至数百万倍于原子内电场，从而能够产生极端的物理条件，此时，传统的微扰理论不能适用，激光在与物质相互作用时产生许多新奇的物理现象。人们对脉冲宽度的不懈努力导致激光脉冲宽度的不断缩短，然而，超短脉冲激光技术不仅为科学研究提供了各式各样以它为基础的超快速测试手段，而且，超短脉冲激光技术的发展，尤其是啁啾脉冲放大技术的出现还使人们得以获得超短超强的激光，从而为研究光与物质的相互作用提供了前所未有的极端条件，并由此诞生了一门新的物理学分支强场物理。目前，人们已经可以四川大学博士学位论文产生高达1 0 2 1 w c m 2 的超高强度光。在1 0 “w c m 2 以上的高强度范围，激光与各种形态物质的相互作用已经进入高度非线性与相对论性的范围。人们甚至可能把光与物质的相互作用延伸到原予核层次并研究强光与真空的相互作用。在这种极端条件下会出现许多新效应、新现象、衍生出一些新技术。2 快点火近年来，随着c p a 激光技术的重大进展，美国劳仑兹一利弗莫尔实验室( l l n l ) 于1 9 9 3 年提出了“快点火”概念【1 1 8 , 1 1 0 l ，即首先利用中等强度激光把氘氚燃料均匀压缩到一定密度( 如3 0 0 。6 0 0g c m 。3 ) 【1 2 0 ，再用一束短脉冲强激光( 如l o o p s 、l o s 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5 p s 、1 0 2 0 w c m 2 ) 通过前面产生的通道达到压缩燃料附近，在此产生兆电子伏量级的高能电子，这些电子穿过压缩气体进入中心，使温度很快升高到1 0 k e v ，在一个a 粒子射程范围内约沉积1 0 k j 能量，使其点火并燃烧，其过程如图1 2 2 所示。图1 2 2 快点火原理示意圈“快点火”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。采用这种方法，既不需要靶丸成球形，也不需要形成中心热点，快点火在理论上会降低获得聚变的激光能量，又会降低对激光精度的要求。这种方法的花费相对来说较低，为获得新能源的研究提供了新的方法。四川大学博士学位论文1 2 2 高功率超短超强脉冲激光装置的发展现状超高强度的激光脉冲为人们开辟了新的研究领域。正是由于这种大功率超短脉冲在科学研究的许多领域有着巨大的应用前景，因此，世界各国都投入了大量人力财力进行这一领域的研究。在激光聚变快点火研究需求和强场物理的牵引下，世界上的超短脉冲有向大能量、高功率方向发展的趋势。从事激光聚变研究的各大实验室纷纷投入力量将c p a 技术与已有的大型激光器相耦合，一些大型的高功率超短脉冲装置已经建成。图1 2 3p e t a w a t t 装置的c p a 技术原理图在发展高功率激光系统方面，美国始终走在前列。美国劳仑兹- n 弗莫尔f l l n l ) 实验室于1 9 9 3 年开始发展拍瓦激光技术。利用1 0 束钕玻璃激光器n o v a装置的一束作放大器，末级口径4 6 c m ，压缩光栅口径7 5 c m ，放在直径3 m ，长l l m 的真空室内，采用t i ：s a p p h i r e 和n d ：g l a s s 混合放大，如图1 2 3 所示。经过四年努力，于1 9 9 6 年实现拍瓦功率输出，取名p e t a w a t t 1 1 钟。1 9 9 7 年，末级口径增大到5 8 c m ，光栅口径扩大到9 4 c m ，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 2 p w ，靶面功率密度达到6 1 0 2 0 w c r n 2 。1 9 9 8 年，p e t a w a t t装置的输出功率已达到1 5 p w ，输出脉宽4 4 0 2 0 f s ，得到的聚焦功率密度大于7 1 0 2 0 w c m 2 ，这是迄今为止世界上得到的最高输出峰值功率 1 2 ”。由于美国l l n l 实验室国家点火装置n i f ( n a t i o n a li g n i t i o nf a c i l i t y ) 建设需要，n o v a 激光装置被拆除。并于1 9 9 9 年6 月3 日进行了告别打靶，p e t a w a t t也被迫于1 9 9 9 年5 月2 7 日打了最后一发 1 2 2 】。值得一提的是，在建造p e t a w a t t四川大学博士学位论文装置的过程中，为了制造压缩器所需的大型光栅，美国利弗莫尔实验室还发展了制造大口径、高光学质量和高破坏闽值光栅的技术。1 9 9 7 年制造出口径9 4 c m ，效率大于9 0 ，平面性好于v 1 0 和闽值高的优质光栅。不但满足了本实验室的需要，也为英国、日本等国的大型激光器提供了光栅 1 , 2 2 1 2 3 】。j a n u s 是l i n l 实验室于1 9 7 4 年建成的百焦耳级钕玻璃激光器。利用该装置作为泵浦源，u n l 实验室于2 0 0 0 年建成了一台激光器，命名为j a n u s p( j a n u s - p u m p e du l t r a s h o r t p u l s el a s e r ) 1 ”。激光器前端振荡器是商品化的，输出7 5 8 0 f s 的8 0 0 n m 的激光脉冲，展宽后经多级钛宝石放大器放大。主放级与p e t a w a t t 显著不同，j a n u s p 没有采用已有的钕玻璃激光放大器作放大级，而是由j a n u s 输出的1 3 0 j 绿光泵浦最后一级口径1 0 c r n ，厚5 c m 钛宝石放大器。这一做法的优点在于输出能量虽只有1 5 j ，脉冲宽度却缩短到8 5 f s ，峰值功率可达2 0 0 t w 。因光束质量好，焦斑只有2 p m ，聚焦功率密度高达2 1 0 ”w c l n 2 。脉冲对比度，即主脉冲与预脉冲之比高达1 0 1 。聚焦功率密度和脉冲对比度都创下了新的世界记录。j 。日本在发展大型固体激光器方面也不甘落后，早在1 9 8 3 年，日本大阪大学激光工程研究所就建成了1 2 束g e k k o x i i 激光器。在此基础上，增加了第1 3条柬用作产生超短脉冲激光的放大器【1 + 。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 1 0 ”w c m 2 ，该装置取名p w m ( p e t a w a t tm o d u l e ) 。后来经过改造，当脉冲宽度0 8 p s 时，峰值功率可达1 0 0 t w 。同时，还将具有两束输出的m i i 激光器的一束改成了输出能量3 0 j ，输出脉宽5 0 0 f s 和输出峰值功率6 0 t w 的装置。此外，日本原子能研究所于1 9 9 8 年研制成一台1 0 h z 重复率工作的超短超强脉冲激光装置( j a e r i ) ，其输出激光脉冲功率1 0 0 t w ，脉冲宽度1 9 f s ，聚焦功率密度达1 0 7 z w c m z 1 2 7 1 。近期，原子能研究所报道了所研制的超短脉冲激光系统的输出功率达到0 8 5 p w ，输出脉宽3 3 f s ，聚焦强度达到3 8 x 1 0 2 1 w c m 2 。这是迄今为止报道的输出功率最高的全钛宝石啁啾脉冲放大系统 1 2 8 1 。法国l u u 实验室利用一台末级口径1 0 8 c m 的百焦耳钕玻璃激光器作放大器，于1 9 9 8 年建成了输出功率i o o t w 、脉冲宽度3 0 0 f s 的激光器 1 。”】。另外，法国l u u 实验室将利用法国c e a 退役的p h y b u s 装置( 到0 2 0 8 m m 放大级) ，预期建成同时拥有1 i ( j l n s 和5 0 0 j 5 0 0 f s 的激光装置，可以大能量作等离子体研究，四川大学博士学位论文也可实现1 p w 的超高功率超短脉冲输出。此外，法国e n s t a 实验室在1 9 9 6年建成了输出功率为2 5 t w 、输出脉宽为3 2 f s 、重复频率为1 0 h z 的超短脉冲装置。在2 0 0 2 年将这一装置升级成为输出功率为1 0 0 t w 、重复频率为1 0 h z 的超短脉冲系统 1 3 0 , 1 3 1 】。表1 1国际上具有代表性的高功率超短脉冲激光装置输出实验室装置脉冲宽度输出功率激光强度建设或完成国家能量名称名称( 动删)( w e r a 2 )时问( j )u lp e t a w a t t6 8 04 4 01 5 0 06 i 0 2 01 9 9 6 1 9 9 9u n lj a n u s p1 57 5 8 02 0 02 1 0 2 12 0 0 0u s ac u o s1 22 74 52 x 1 0 2 1u c s du 31 22 3 56 0i l ep w m4 37 0 0 - 8 0 01 0 0 05 x 1 0 1 92 0 0 3i l em i i3 05 0 06 01 9 9 9j a p a nj a e r i21 8 91 0 01 加1 9 9 8j a e r i2 8 43 2 98 5 03 8 1 0 2 12 0 0 3r a lv u l c a np w3 07 0 04 05 x 1 0 1 91 9 9 8e n g l a n dr a lv u l c a np w5 0 05 0 01 0 0 02 0 0 2l u u5 0 05 0 01 0 0 0在建f r 8 i l o el j m e i lp 1 0 21 03 0 01 0 0e n s t al o a2 52 51 0 01 0 2 02 0 0 3g s ip h e l 5 0 05 0 01 0 0 0在建g e r m a n 3 ,m b io 7 53 02 5s i o m3 61 2 02 0 0 4c h i n ac a e ps l l b x 18 63 02 8 61 0 2 l2 0 0 4英国卢瑟福实验室的“火神”装置经过3 年的升级改造，在2 0 0 2 年，其输出能量达到5 0 0 j ，输出脉宽为5 0 0 f s ，输出峰值功率也达到1 p w ，聚焦的功率心j i i 大学博士学位论文密度可达1 0 2 1 w c m 2 量级f 1 3 。压缩器内采用的直径达9 4 c m ，重约半吨的光栅，是由美国l l n l 实验室制造的。2 0 0 1 年，德国的f i r e 装置也升级到1 0 0 t w 量级，重复频率为i o h z ，脉宽小于5 0 f s ，输出能量大于6 j f l3 3 】。俄罗斯在1 9 9 5年也报道了1 0 t w 的装置的实验情况【i “。国内的超短脉冲技术也发展迅速，其中以中科院物理所、天津大学精密仪器学院超快激光研究室、上海光学精密机械研究所、西安光学精密机械研究所，中物院激光聚变中心这几个单位工作比较突出。1 9 9 6 年