高能OPCPA系统中晶体拼接技术的关键问题研究

The limited size of nonlinear crystal is a bottleneck for high energy optical parametric chirped pulse amplification (OPCPA) technique. In this application, we plan to research the key problems of the tiled crystal technique for improving OPCPA output energy, and the contents are: (1) the influences of crystal axis adjustment errors to the amplified pulse; (2) the influence of diffraction effect of the seams between the crystals to output beam quality; (3) the influences of crystal cutting and machining to amplified pulse. By solving the above problems for the tiled crystal technique, we plan to build physical models and numerical simulation programs, as well as confirm the requirements of adjusting and machining and analyze the influences on OPCPA system. The expected results of this application will provide a new alternative solution of achieving large aperture crystal for high energy OPCPA system.

有限尺寸的非线性晶体是限制高能OPCPA激光技术发展的主要技术瓶颈之一。本项目拟研究晶体拼接技术在提升OPCPA能量过程中的关键问题，具体包括以下几个方面：（1）拼接晶体的晶轴误差对放大信号光的影响；(2)晶体间缝隙的衍射效应对输出光束质量的影响；（3）晶体的切割方式和加工误差对放大信号光的影响。通过分析上述过程的物理影响机制，建立理论模型和数值模拟程序，确定晶体拼接技术对晶体调节和加工的要求，以及对参量放大过程的影响，为高能OPCPA系统提供大口径晶体解决方案。

为了研究向高能OPCPA放大系统提供大口径非线性晶体的可能性，本项目对OPCPA晶体拼接技术中涉及的主要问题进行了系统理论研究和原理性实验验证。首先，我们基于非线性耦合波方程，建立了能够仿真OPCPA晶体拼接问题的数值模拟程序；其次，与单块晶体相比较，理论分析了晶体拼接中涉及的主要问题：（1）拼接晶体的晶轴误差等角度误差对参量带宽的影响；（2）晶体间缝隙的衍射效应对输出光束质量的影响；（3）晶体的切割方式和加工误差对放大信号光的影响。通过对上述过程物理影响机制的理论分析，我们选择了利用折射率匹配液和光束近场整形的晶体拼接方案作为课题实验研究方案，并分析了该方案的优点。最后，根据理论分析结果，我们设计、加工了满足研究需要的晶体拼接调整机构。我们利用课题组已有的OPCPA实验平台，进行了以下实验研究及原理性验证工作: （1）判定晶轴一致性和非共线角度的依据；（2）抑制拼接晶体缝隙带来的衍射效应；（3）高精度时间同步控制和测量；（4）利用拼接晶体实现OPCPA放大。课题的研究结果将对数pw级、高能量、大口径OPCPA放大研究具有指导和借鉴意义。