高能量皮秒平顶光束产生及放大特性研究

高能量皮秒平顶光束产生及放大特性研究

论文摘要

高能量、高平均功率皮秒激光被广泛应用到强场物理、激光卫星测距、生物医学、工业材料加工、非线性光学、驱动X射线光源等领域。高能量的皮秒激光也可以作为光参量啁啾脉冲放大系统(OPCPA)的理想泵浦源。为了更有效的提高激光加工效率和激光测距的精度、距离以及获得更高能量的高次谐波,需要更高能量和功率的皮秒激光。受光学元器件和膜层的损伤阈值以及晶体自聚焦效应的影响,通常在高功率、高能量皮秒激光系统中需要对光束进行整形以避免光学元件的损伤。本文通过对光束整形和平顶光束放大方面的研究最后分别获得了1k Hz重频下近场近平顶分布的平均功率39.5W、脉冲宽度11ps的每周期一个脉冲激光和94.8W、脉冲宽度110ps的脉冲串激光输出。内容主要包括以下几个部分:1.概述了高能量、高功率皮秒激光的研究背景及意义,对国内外全固态高功率皮秒激光研究现状和高斯光束整形方法进行了总结。2.介绍了描述平顶光束的理论模型,阐述了圆孔光阑、非球面镜、变反射率高斯镜整形原理与整形特点;根据脉冲放大理论给出行波放大的能量计算表达式。3.利用圆孔光阑对高斯分布光束进行整形,利用空间滤波像传递系统对整形后的光束进行优化,提高了整形后平顶光束的有效传输距离,得到了整形效率大于32%、填充因子0.78的8阶超高斯光束;利用LD侧面泵浦Nd:YAG模块对此光束进行两级放大,研究了利用晶体热焦距代替像传递系统中的透镜时对平顶光束放大的影响;通过改变模块泵浦电流提高了两个增益分布不一致的放大模块之间的热退偏补偿能力;最后通过两级放大,获得了平均功率39.5W、重复频率1k Hz、脉冲宽度11ps的超高斯光束。4.利用非球面镜对高斯光束进行整形,获得了填充因子0.68的10阶超高斯光束,整形效率96%;利用LD侧面泵浦Nd:YAG模块对此光束进行两级放大,最后获得了平均功率94.8W、重复频率1k Hz、脉冲宽度110ps近场近平顶分布的脉冲串激光,串内5根脉冲;放大过程中通过合理设计像传递系统的物像对应面提高了最后放大光束的光强均匀性,并且通过在一级放大和二级放大中间添加二分之一波片和偏振片降低了系统的退偏率。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  •   1.1 论文研究背景及研究意义
  •   1.2 高功率皮秒激光研究现状
  •   1.3 国内外皮秒激光光束整形方法
  •   1.4 本课题的来源及主要研究内容
  •     1.4.1 课题来源
  •     1.4.2 论文主要研究内容
  • 第2章 平顶光束整形及脉冲放大理论
  •   2.1 平顶光束理论模型
  •     2.1.1 超高斯光束
  •     2.1.2 平顶高斯光束
  •     2.1.3 费米-狄拉克光束
  •     2.1.4 平顶洛伦兹光束
  •   2.2 平顶光束整形原理
  •     2.2.1 圆孔光阑整形原理
  •     2.2.2 非球面镜整形原理
  •     2.2.3 变反射率高斯镜整形原理
  •   2.3 脉冲激光行波放大理论
  •   2.4 本章小结
  • 第3章 圆孔光阑整形及放大实验研究
  •   3.1 圆孔光阑整形实验研究
  •     3.1.1 圆孔光阑整形实验装置
  •     3.1.2 圆孔光阑整形实验结果与讨论
  •   3.2 皮秒激光行波放大模拟分析
  •     3.2.1 单通行波放大数值模拟
  •     3.2.2 多通行波放大数值模拟
  •   3.3 平顶光束一级放大实验研究
  •     3.3.1 激光增益介质的选择及放大模块性能
  •     3.3.2 一级放大实验设计与装置
  •     3.3.3 一级放大实验结果与讨论
  •   3.4 平顶光束二级放大实验研究
  •     3.4.1 平顶光束二级放大实验装置与设计
  •     3.4.2 放大激光模块性能测量
  •     3.4.3 平顶光束二级放大实验结果
  •   3.5 本章小结
  • 第4章 非球面镜整形及放大实验研究
  •   4.1 非球面镜整形实验研究
  •     4.1.1 非球面镜整形实验装置
  •     4.1.2 非球面镜整形实验结果与讨论
  •   4.2 脉冲串皮秒激光放大实验研究
  •     4.2.1 脉冲串皮秒激光放大实验装置
  •     4.2.2 脉冲串皮秒激放大实验结果
  •   4.3 本章小结
  • 结论与展望
  • 参考文献
  • 攻读硕士学位期间的科研成果
  • 致谢
  • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 卢尚

    导师: 陈檬

    关键词: 全固态激光,平顶光束,皮秒激光,行波放大

    来源: 北京工业大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,信息科技

    专业: 物理学,无线电电子学

    单位: 北京工业大学

    基金: 国家自然科学基金项目

    分类号: TN24

    DOI: 10.26935/d.cnki.gbjgu.2019.000775

    总页数: 79

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