面向高平均功率应用的准参量啁啾脉冲放大关键技术研究

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自诞生以来,超短激光的峰值功率得到了显著提升,聚焦光强(W/cm)产生的极强电场使得强场实验物理跨入相对论领域。然而,目前高峰值功率激光的重复频率很低(单发次运行或者≤10 Hz),这使得高峰值功率激光的平均功率最高只在数十瓦的量级,无法满足激光加速等研究领域的实验要求。另一方面,虽然利用二极管泵浦技术可以获得平均功率超过万瓦的激光,但其脉宽一般为纳秒量级,很难实现极高的峰值功率。这种高峰值功率和高平均功率无法兼得的两难局面,是由各种激光放大方案本身的局限性或者目前有限的制造工艺水平引起的。高重复频率的啁啾脉冲放大(CPA)技术往往受限于增益介质泵浦吸收带来的热效应;光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)方案能有效减弱能量沉积的问题,但饱和放大时存在着难以驾驭的“参量倒流”问题,严重影响了转换效率(仅约10-20%)。准参量啁啾脉冲放大(QPCPA)是一项新兴技术,旨在解决OPCPA技术中的“倒流”问题,理论和试验均证明其可以实现极高的峰值功率。然而目前世界上对其平均功率的分析和研究还十分的匮乏。针对这一情况,本文进行了两项研究工作:1.QPCPA的高平均功率特性研究在高平均功率状态下,晶体的温升会改变其折射率,从而引入热致位相失配,而且其空间分布是不均匀畸变的;与此同时,QPCPA本身具有极好的鲁棒性,对位相失配不敏感。这二者之间必定会相互制约,最终达到一种平衡。在第三章中,我们利用迭代算法针对这类情况进行了理论模拟。模拟时考虑了放大系统中的一至三阶色散、走离和衍射等时空效应,以及晶体吸收、热致位相失配等因素。为了更具针对性的研究热致位相失配畸变对QPCPA能量转换效率产生的影响,我们在模拟时分别逐渐增大了脉冲的重复频率和单脉冲能量,观察了这两种情况下QPCPA的时空放大特性与晶体温度分布的变化。在模拟中,我们最终获得了5 k Hz-3 TW和1 Hz-13.5 PW的放大结果,两者的平均功率均超过150 W。该结果表明在高平均功率应用中QPCPA具有优异的前景。除此之外,为了减弱热致位相失配畸变带来的影响,我们在本章的最后还给出了采用热不敏感构型的模拟结果。模拟结果表明该构型能有效降低热致位相失配畸变对高平均功率QPCPA放大过程造成的影响。2.闲频光倍频耗散型与和频耗散型QPCPA放大特性研究QPCPA能够稳健地工作在较高平均功率(超过百瓦)和高峰值功率下。然而,热效应问题仍存在于更高平均功率(千瓦及以上)的放大过程中,因而有必要研究一种可进一步减小热效应的QPCPA技术。在第四章中我们提出了两项新型的技术——闲频光倍频耗散型QPCPA与闲频光和频耗散型QPCPA。倍频与和频过程被用来模拟对闲频光所需的吸收,可以起到QPCPA抑制倒流的作用,但规避了之前OPCPA晶体所需的闲频光吸收。此外,倍频与和频是十分常见的光参量过程,因而二者在很广的波长范围内均能求得对应的位相匹配解,利用这一点就可以缓解QPCPA需在不同波段专门定制晶体的困难。第四章中,我们在不同的非线性晶体中对闲频光倍频耗散型与和频耗散型QPCPA进行了位相匹配求解,分析了放大原理,并给出了其时空放大特性。模拟证明二者均能实现对倒流的抑制,在未来更高平均功率激光的应用中极具前景。
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