基于脉冲压缩器的光栅拼接误差分析及补偿拼接方法研究

利用啁啾脉冲放大（CPA）原理的固体激光器为清洁可控的激光核聚变提供了可能的途径。作为决定CPA输出脉冲最大能量的重要元件，米量级脉冲压缩光栅受诸多技术问题的制约目前难以直接制作。光栅机械拼接通过高精度角度、位移控制，将多块子光栅拼合，实现一块大口径光栅的功能。由于拼接光栅脉冲压缩器包含数十个误差源，即使初调精度高也易受系统稳定性影响，若逐对监测拼接光栅则系统复杂几乎无法实现。因此，基于脉冲压缩器整体输出的光栅拼接效果监测具有重要的实用意义。本项目首先基于光线追迹方法建立理论模型，分析不同构型压缩器对拼接误差的敏感程度，有助于压缩器的选型。之后仿真计算确定拼接误差初调容限，研究单光栅3自由度补偿拼接对压缩器整体输出的作用。最后基于多单色光干涉和远场光斑检测，完成原理演示压缩器补偿拼接实验验证。上述研究有助于深入揭示拼接光栅压缩器的工作性能，指导脉冲压缩器选型和拼接光栅压缩器实验调节。

利用啁啾脉冲放大（CPA）原理的固体激光器为清洁可控的激光核聚变提供了可能的途径。作为决定CPA输出脉冲最大能量的重要元件，米量级脉冲压缩光栅受诸多技术问题的制约目前难以直接制作。光栅机械拼接通过高精度角度、位移控制，将多块子光栅拼合，实现一块大口径光栅的功能。由于拼接光栅脉冲压缩器包含少则4块、多则8块或更多子光栅，误差源达到数十个，即使拼接误差初调精度高，输出脉冲光束质量也易受系统稳定性影响而变差。若对拼接光栅进行逐对监测，则系统复杂几乎无法实现。因此，基于脉冲压缩器整体输出的光栅拼接效果监测具有重要的实用意义。.　　本项目旨在从理论分析的角度深入揭示拼接光栅压缩器的工作机理和性能，并提出合理有效的光栅拼接效果监测方案，进行原理性实验验证其可行性，为拼接光栅脉冲压缩器的选型设计和实验调节提供理论基础和技术支持。主要研究内容及重要成果包括：.　　1、不同构型压缩器性能的理论分析。建立了基于光线追迹和傅里叶分析的理论模型；首次进行了三类不同构型压缩器性能（包括拼接误差容限、振动稳定性等）的细致分析，得到了不同系统参数下的相关数据。.　　2、补偿拼接方案的完善及可行性验证。结合理论分析和原理实验，证明了在高初调精度条件下，基于单光栅3自由度调节的全局补偿拼接可能实现长时稳定的高能量远场焦斑。.　　3、新CPA工作模式的提出与初步验证。首次提出基于啁啾反转和空间镜像的展宽、压缩共用CPA模式，实验验证了其可行性，并通过理论分析证明该模式能提高系统输出能量达17%，同时消减拼接误差的影响。.　　4、拼接接缝对脉冲信噪比的影响分析。理论分析证明，拼接光栅不可避免的常规接缝（宽度2 mm）可导致激光脉冲时域信噪比从10^30到10^14的恶化。这表明在使用拼接光栅的CPA系统中，脉冲信噪比的控制成为重要问题。.　　本项目在圆满完成预期目标（上述1、2点）的基础上拓展了相关理论及实验研究（上述3、4点），均有助于包含拼接光栅的激光脉冲压缩器及CPA系统的最终实现。