基于SBS的千赫兹级亚纳秒激光脉冲压缩技术研究

论文摘要

高重频大能量的亚纳秒脉冲激光在多普勒激光测风雷达、空间碎片激光雷达探测、汤姆逊散射诊断、医学激光美容等领域有着重要而广泛的应用。受激布里渊散射(SBS)是一种将纳秒长脉冲压缩至亚纳秒脉冲的简单高效的脉宽压缩技术,该技术与主振荡功率放大(MOPA)技术结合可以解决激光器在高重频、大能量、亚纳秒脉冲和高效率参数方面难以同时兼顾的问题。然而,目前SBS脉冲压缩的工作重复频率局限于200 Hz以下。为了获得k Hz级的亚纳秒脉冲,本论文对高重频SBS脉冲压缩中存在的关键问题开展了系统的实验研究。论文回顾了高重频大能量亚纳秒脉冲激光器的研究概况,详细阐述了SBS脉冲压缩介质、压缩结构及工作重复频率的研究现状,并分析了限制SBS脉冲压缩重复频率提高的问题及原因。首先,阐述了脉冲压缩技术的基本理论。考虑泵浦光场的横向空间分布影响,建立了描述空间二维SBS脉冲压缩过程的瞬态理论数值模型。并建立了考虑介质的电致伸缩效应和热效应过程的受激热布里渊散射(STBS)理论模型和求解介质中温度场分布的重复频率脉冲激光加热介质的三维温度场模型。其次,SBS压缩空间横截面上非均匀脉宽分布的主要原因是泵浦光束的高斯强度分布。为了获得高效率的空间脉宽分布均匀的SBS压缩,提出了两种新方案:光斑截取法和参数优化法,并进行了实验对比,结果表明后者的能量效率明显优于前者。在数值计算不同介质和结构参数下SBS脉冲压缩的基础上,探究了SBS压缩空间脉宽分布的变化规律,依据优化参数开展了相关的实验研究。基于单池结构和紧凑双池结构,分别获得了空间脉宽均匀分布的SBS脉冲压缩并使得能量效率达到80%以上。再次,针对高重频SBS脉冲压缩产生池中聚焦热效应问题,提出了旋转楔板和旋转偏心透镜两种方法,缓解了焦点附近持续的热积累问题。通过对介质池中三维温度场特性的数值计算和SBS脉冲压缩随重频变化规律的实验研究,分析了高重频SBS脉冲压缩的热特性影响,并采用光线追迹法模拟了不同方法中的焦斑光场强度分布。结果表明旋转偏心透镜法中焦斑的彗行像差畸变明显小于旋转楔板法。旋转偏心透镜法不仅可补偿SBS聚焦热效应引起的光斑畸变而且能显著提高SBS能量反射率,是一种有效缓解k Hz级SBS脉冲压缩聚焦热效应的新途径。在缓解了聚焦热效应的基础上,通过研究高重频激光在放大池中传输的光束强度分布和光斑干涉条纹,分析了高重频SBS脉冲压缩光斑质量变差的主要原因是放大池中存在自散焦、热斑和热对流等过程。通过采用高粘度系数和高沸点的HT270液体介质,不仅缓解了放大池中的热对流和热斑过程,而且抑制了产生池中最高温度超过沸点时引起的光斑抖动现象。随后实验探究了SBS脉冲压缩随粘度系数、焦斑旋转、透镜焦距及重复频率的影响规律。结果表明,高粘度系数介质HT270适用于重复频率k Hz级的SBS脉冲压缩,而低粘度系数介质HT110仅适用于重复频率低于200 Hz的SBS脉冲压缩。基于HT270介质,50 m J@1 k Hz泵浦条件下获得了脉宽820 ps,能量效率52.2%的SBS压缩脉冲。最后,针对高稳定性二极管泵浦固态激光技术在激光雷达领域的潜在需求,本论文采用高热导率石英晶体以解决液体介质粘度系数随温度变化敏感而致使SBS输出不稳定的问题。实验研究了不同结构下高重频SBS脉冲压缩的变化规律;并对比了液体介质和固体介质中高重频SBS脉冲压缩的能量和脉宽稳定性变化规律。结果表明50 m J@1 k Hz泵浦条件下,熔融石英介质的SBS能量相对标准偏差比HT270液态介质降低了55%。基于熔融石英介质,获得了1 k Hz重复频率下稳定输出的亚纳秒压缩脉冲。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景及研究的目的和意义
•   1.2 高重频亚纳秒脉冲激光器的研究概况
•   1.3 SBS脉冲压缩技术的研究现状
•     1.3.1 SBS脉冲压缩介质的发展
•     1.3.2 SBS脉冲压缩结构的发展
•     1.3.3 高重频SBS-PCM的发展
•   1.4 高重频SBS脉冲压缩的发展现状
•   1.5 高重频SBS压缩技术存在的问题
•   1.6 本论文的主要研究内容
• 第2章 SBS脉冲压缩的理论分析
•   2.1 引言
•   2.2 脉冲压缩技术
•     2.2.1 基于调Q的脉冲压缩技术
•     2.2.2 基于SBS的脉冲压缩技术
•   2.3 受激布里渊散射基本理论
•     2.3.1 空间一维SBS脉冲压缩
•     2.3.2 空间二维SBS脉冲压缩
•   2.4 受激热布里渊散射理论分析
•     2.4.1 脉冲激光加热介质的温度场模型
•     2.4.2 STBS脉冲压缩的理论模型
•   2.5 本章小结
• 第3章 SBS压缩中光束横截面上的脉宽均匀性研究
•   3.1 引言
•   3.2 单池结构SBS脉冲压缩研究
•     3.2.1 单池结构SBS脉冲压缩
•     3.2.2 基于光斑截取法的SBS脉冲压缩
•     3.2.3 空间脉宽均匀分布的SBS脉冲压缩实验
•   3.3 紧凑双池结构SBS脉冲压缩研究
•     3.3.1 紧凑双池结构中的光束参数计算
•     3.3.2 透镜焦距对SBS脉冲压缩规律的影响
•     3.3.3 介质参数对SBS脉冲压缩规律的影响
•     3.3.4 空间脉宽均匀分布的SBS脉冲压缩实验
•   3.4 本章小结
• 第4章 基于旋转焦斑的高重频SBS脉冲压缩特性研究
•   4.1 引言
•   4.2 KUMGANG激光器介绍
•   4.3 高重频SBS脉冲压缩研究
•     4.3.1 高重频SBS脉冲压缩实验
•     4.3.2 高重频SBS热特性实验研究
•   4.4 基于旋转楔板和偏心透镜的SBS脉冲压缩研究
•     4.4.1 旋转楔板和偏心透镜的设计方案
•     4.4.2 焦点光斑强度分布的理论模拟
•     4.4.3 旋转楔板和偏心透镜的对比实验及分析
•   4.5 基于旋转偏心透镜的高重频SBS研究
•     4.5.1 高重频SBS聚焦单池实验
•     4.5.2 高重频SBS脉冲压缩实验
•   4.6 本章小结
• 第5章 高粘度系数介质中的高重频SBS脉冲压缩特性研究
•   5.1 引言
•   5.2 高重频SBS脉冲压缩光斑畸变研究
•   5.3 高重频SBS脉冲压缩的热特性分析
•   5.4 基于介质纯化的高重频SBS脉冲压缩研究
•     5.4.1 介质纯化系统
•     5.4.2 介质纯化前后对比实验及分析
•   5.5 高粘度系数介质中的高重频SBS脉冲压缩实验
•     5.5.1 介质粘度系数的影响
•     5.5.2 焦斑旋转的影响
•     5.5.3 透镜焦距的影响
•     5.5.4 重复频率的影响
•   5.6 本章小结
• 第6章 高热导率固体介质中的高重频SBS脉冲压缩特性研究
•   6.1 引言
•   6.2 不同固体介质中的SBS脉冲压缩实验研究
•     6.2.1 单池结构SBS脉冲压缩
•     6.2.2 串联结构SBS脉冲压缩
•     6.2.3 产生-放大结构SBS脉冲压缩
•   6.3 石英介质中的SBS脉冲压缩结构优化
•   6.4 石英介质中的重频SBS脉冲压缩研究
•     6.4.1 介质中的温度场计算
•     6.4.2 重复频率对SBS脉冲压缩规律的影响
•     6.4.3 聚焦结构对SBS脉冲压缩规律的影响
•   6.5 高重频SBS脉冲压缩的稳定性分析
•   6.6 本章小节
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢
• 个人简历

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王红丽

导师: 王雨雷,董永康

关键词: 受激布里渊散射,高重复频率,脉宽压缩,亚纳秒脉冲

来源: 哈尔滨工业大学

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: 哈尔滨工业大学

基金: 国家自然科学基金优青项目(No. 61622501),哈尔滨工业大学短期访学项目

分类号: TN24

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.005237

总页数: 156

文件大小: 8400k