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大口径OPCPA系统的理论分析与设计

作　者: 王翔峰
导　师: 戴亚平
学　校: 中国工程物理研究院
专　业: 光学工程
关键词: 非线性光学相位匹配光参量放大数值模拟稳定性
分类号: TN722
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

由于BBO和LBO很难获得大口径的晶块,采用这两种晶体的OPCPA系统能量输出最高在百毫焦量级,因而OPCPA技术只能对拍瓦装置的种子脉冲进行预放,还无法应用于主放大系统中。近年来,国际上出现的一些大口径晶体使得OPCPA系统的输出能量提高到了焦耳甚至几十焦耳,其中YCOB晶体的综合性能最高。它不但能在短时间内长成大单晶,而且同时具有BBO和LBO晶体的主要优点,如有效非线性系数大、受热效应影响小、损伤阀值高、不潮解等,非常适合作为大口径宽带功率放大器来产生TW甚至PW级的飞秒脉冲。本文围绕大口径YCOB晶体和OPCPA技术开展了以下几个方面的工作：1.本文介绍了目前国际上的激光聚变驱动器的发展现状,讨论了OPCPA的发展的主要优缺点和三个发展方向。综述了BBO、LBO、KDP、CLBO(?)(?)YCOB晶体的材料特性和光学性质,分析了单轴晶体和双轴晶体的相位匹配角计算方法,并列出了具体的表达式。结合它们的有效非线性系数的计算公式和折射率方程,计算了这三种晶体的相位匹配曲线、走离角、最佳非共线角、参量带宽、接收角和增益带宽等参数。2.由于现有的OPCPA系统采用晶体口径较小,因此文献一般采用平面波近似的方法对三波耦合过程进行分析。但是在考虑大口径晶体和光束的情况下,平面波近似方法已不再适用,必须考虑实际光波的三维空间分布情况。其中泵浦光的空间分布对系统的增益带宽、输出光波形以及转换效率等方面影响很大。为此本文推导了时空域三波耦合方程,使用Ⅰ类非共线相位匹配结构建立了三维空间和时间的数值计算模型,并结合傅里叶变换和四阶龙格-库塔算法编写了相应的程序。通过数值模拟详尽分析了大口径OPCPA过程中泵浦光时空分布对信号光时空分布、光谱特性、能量稳定性以及转换效率等的影响。3.我国神光Ⅱ九路前端的输出能力在50mJ左右。为进一步将前端系统的输出能力提高到焦耳量级,本文根据实验室的现有条件,参考美国德克萨斯大学的拍瓦前端设计,优化设计了一个焦耳级光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)系统。该系统主要山两级LBO预放大器和一级YCOB功率放大器组成。通过将泵浦光的时空波形整形成超高斯形状、使用走离补偿结构、仔细分析及选取各级参量放大器的长度等措施,保证了最后输出信号光的能量稳定性,同时还获得了较高的能量转换效率和好的光束质量。理论设计结果表明,该系统的各项参数均满足神光Ⅱ九路前端的技术指标要求,是一个具有可行性的设计方案。另外还建立了位相分布数值模型,初步讨论了泵浦光的低频位相畸变对信号光波前位相的影响。

大口径OPCPA系统的理论分析与设计

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