超强激光系统中相干组束关键基础问题研究

Both the basic researches and application researches expect the laser facilities to offer higher peak power and higher focal intensity.However, because of the limited element size, damage threshold, gain bandwidth and so on, the output capability of a single laser beam is restricted greatly.Fortunately, the multi-beam coherent combining technology offers a promising solution to obtain the higher peak power and higher focal intensity. Aiming at the peak power several tens PW, even EW and the focal intensity 10^23～10^25W/cm^2, this work will proceed from the characteristics of the ultra-intensity laser system, find the factors which could affect the coherent combining results according to the systematic analytical solution and numerical method, obtain an universal calculation method of the ultra-intensity laser beams coherent combining, build the simulation and calculation model, thus offer theoretical basis and implement means for the scheme design and performance evaluation of the coherent combining of ultra-intensity laser beams， and also provide guidance for the unit technology of ultra-intensity laser beams combining. Besides, a demonstration experiment platform will be set up, and decomposition experiments which are applied to evaluate and optimize the simulating and calculation model are implemented by using the 1×2 beams.

众多基础研究和应用研究都迫切需要激光器的峰值功率和可聚焦功率密度得到进一步提升，但受限于器件尺寸、损伤阈值、增益带宽等因素，目前单路光束的输出能力受到了极大制约。采用多路光束，通过相干组束的方式来获取更高的峰值功率和可聚焦功率密度是解决这一问题的有效途径。瞄准峰值功率数十PW、甚至EW，可聚焦功率密度10^23～10^25W/cm^2的超强激光输出能力，本项目拟从超强激光系统的特点出发，通过对超强激光系统相干组束的详细解析和数值研究，分解出该系统中可能影响相干组束结果的物理量，给出超强激光系统相干组束的普适计算方法，从而建立该系统相干组束的模拟计算模型，为超强激光系统相干组束的方案设计、性能评估提供理论依据和实施手段，为超强激光相干组束单元技术的发展提供参考。搭建演示实验平台，采用1×2两路组束的方式，进行分解实验，对上述计算方法及模拟计算模型进行评估与优化。

众多基础研究和应用研究都迫切需要激光器可聚焦功率密度的进一步提升，但受限于器件尺寸、损伤阈值、增益带宽等因素，目前单束光束的输出能力受到了极大的制约。采取多路光束，通过相干组束的方式来获取更高的峰值功率和可聚焦功率密度是解决这一问题的有效途径。瞄准峰值功率数十PW，甚至EW，可聚焦功率密度10^23~10^25W/cm^2的超强激光输出能力，本项目重点针对相干组束技术在上述系统中应用可能面临的基本物理问题开展了系统深入的研究，其中主要包括相干组束的基本物理过程研究，空间、时间和交叉三类物理量对相干组束过程的影响机制及控制需求的理论建模分析研究，关键物理量的控制方法探索研究三部分内容。通过上述三部分研究工作，本课题主要取得了如下成果：1）完成了相干组束的基本物理过程建模，更为明确地揭示了相干组束的基本物理含义及关键影响因素；2）建立了面向大口径宽带超短系统的模拟分析工具，其中包括大口径、宽谱条件下的波面相关物理量、频谱相关物理量以及交叉物理量的建模，揭示了上述各类物理量对组束结果的影响机制；3） 完成了大口径宽谱超短系统相干组束过程中上述三类物理量的模拟分析及控制需求分析，明确了各类影响因素的控制需求；4）提出了多种可能的关键物理量控制方法，并对指向控制、高精度相位检测及控制等进行了实验验证，结果表明指向控制精度能够优于8μrad，相位检测及控制精度能够达到1/10波长。超强超短系统可获得的聚焦峰值功率密度已有8年没有进一步提升，相干组束技术是目前看来仅有的几种能够进一步大幅提升聚焦功率密度的技术之一，本课题的上述研究成果为相干组束技术实际用于超短超强激光系统输出峰值功率密度的进一步提升提供了重要的理论参考和设计指导。