高功率固体激光系统光束匀滑及其时空特性研究

High-power lasers have been extensively applied to the fields of scientific research and industry, and improving the on-target irradiation uniformity is an important task in increasing their performance. The joint use of the techniques of Smoothing by Spectral Dispersion (SSD) and Continuous Phase Plate (CPP) will be a promising scheme for beam smoothing, however, some key problems remain to be studied in its practical application. In this project, researches will be carried out on the performance and spatio-temporal characteristics of the beam smoothed by the SSD+CPP scheme, and the following will be included: 1) analysis of the improving of the on-target irradiaion uniformity when this SSD+CPP scheme is employed, and then how the uniformity will change when different parameters are used in the scheme. 2) developing of a model that can be used to describe the spatial beam aberration based on the statistical optics, and the parameters of this model will be tested experimentally. Evaluation will be made how the aberration will inflence the irradiaion uniformity, and the laser system will then be optimized accordingly. 3) developing of an amplifier model which can be applied to the broad band laser beam spread temporally and spatially by the SSD, and then simulation of the output pulse will be made. The expected results of this project will enrich the basic researches on beam smoothing, and will as well help push the application of the SSD+CPP scheme to the related fields.

高功率激光器在科学研究及工业领域均有广泛应用，改善光束在目标靶面的辐照均匀性是提高其性能的重要课题。将光谱色散匀滑（SSD）与连续相位板（CPP）相结合是实现高功率固体激光系统光束匀滑的有效途径，但该方案尚需解决若干关键问题。本项目对采用该方案后的光束匀滑状况及其时空传输特性进行深入研究，主要内容包括：（1）研究理想条件下SSD+CPP方案对靶面辐照均匀性的改善，以及相关参数对均匀性的影响；（2）建立基于光学统计理论的光束空间畸变模型，通过实验修正模型参数，并评估畸变对光束匀滑效果的影响，对激光系统参数进行整体优化；（3）建立适用于光谱色散光束的宽带放大器理论模型，对含SSD单元的激光系统输出时间脉冲波形作预估，并据此调整放大器的工作参数。本项目的研究成果将充实高功率激光系统光束匀滑的基础理论研究，对解决我国大型激光系统面临的实际问题及将SSD+CPP方案推广到工业应用领域具有重要意义。

高功率激光器在科学研究及工业领域均有广泛应用，改善光束在目标靶面的辐照均匀性是提高其性能的重要课题。将时间匀滑方法SSD 与空间匀滑方法CPP或LA相结合是实现高功率固体激光系统光束匀滑的有效途径。.针对该方案尚需解决的若干关键问题，本项目完成了以下主要研究内容：（1）实验研究了1D SSD+LA方案的光束匀滑表现。结果表明，仅采用LA时，焦斑的不均匀度为46%，能量集中度为80%；进一步采用1D SSD，使激光带宽展宽到270GHz、光束的线性色散为24.9倍衍射极限，则焦斑的不均匀度下降到17%，能量集中度没有明显的劣化。（2）理论与实验研究了1D SSD+CPP方案中靶面辐照均匀性的改善情况。结果表明，CPP可降低大尺度的辐照不均匀，具有较强的焦斑整形能力，且对入射光束中大尺度的波前畸变不敏感，1D SSD在消除小尺度强度调制上作用非常显著。（3）对基于简单透镜列阵的大口径激光均匀辐照光学系统的调焦能力进行了研究，结果表明，改变LA与靶镜之间的距离即可方便地改变靶面上光斑的大小。按照目前“神光II”装置的实际需要，设计出了一个实用的光学系统，当LA与靶镜之间的距离从300mm增大到700mm时，光斑尺寸将从600微米减小到400微米，基本可满足装置上进行的各类实验的一般要求。模拟结果表明，尺寸不同的光斑具有基本一致的强度结构特征。定量地评价了光斑的均匀辐照表现，并研究了靶面离焦量对相关评价参数的影响。（4）对基于光纤的匀滑三倍频光的产生进行了研究。提出在光纤中输入一束弱的对向传输光来补偿基频基模与三倍频基模之间的相位失配，数值结果表明，当对向传输光束的相对强度合适时，基模的三倍频转换效率可提高数个量级，从而获得有实际应用价值的功率输出。（5）编写了“基于时空光束匀滑的线性激光传输模拟软件”，其适用于科学研究实验室以及工业用激光器的光束线性传输模拟，既可应用于含时空光束匀滑器件的复杂光路中，也可应用于简单的单色光或窄带光传输。.上述研究结果已经发表（SCI收录论文3篇，EI收录论文1篇，获授权实用新型专利1项，登记软件版权1项），为科研及工业应用高功率激光系统光束匀滑方案的选择、应用和优化提供了理论参考，本项目既定的研究目标已经完成。