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高能高功率脉冲光纤激光系统的束靶耦合与传输放大

作　者: 黄志华
导　师: 胡思得
学　校: 清华大学
专　业: 核科学与技术
关键词: 光纤激光器 光纤放大网络 高能量密度物理 束靶耦合 传输放大
分类号: TN253
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
下　载: 22次
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内容摘要


高能量密度物理研究，包括激光驱动惯性约束聚变和基于激光等离子体加速的高能粒子对撞机，是推动高能高功率激光驱动器发展的重要动力。传统的基于氙灯泵浦的大口径、块状钕玻璃激光驱动器的能量转换效率极低，难以满足未来惯性聚变能源和高亮度、高能粒子对撞机对激光驱动器的高效、重频工作的要求。基于光纤放大网络概念的高能高功率脉冲光纤激光系统继承了光纤激光器的特点和优势，是未来激光驱动器有希望的备选方案之一。本论文系统阐述了高能高功率脉冲光纤激光系统的总体构架和基本概念，指出了决定此系统可行性所面临的三大约束条件，即束靶耦合需求约束、单纤输出能力约束和光纤组束容限约束，并对系统涉及的关键科学技术问题进行了梳理。针对束靶耦合需求约束，建立了甚多束束靶耦合理论分析模型，定量地给出了兆焦级激光驱动器对单纤模场直径和输出脉冲能量的要求，并在相干与非相干组束条件下研究了靶面光强分布。针对单纤输出能力约束，建立了描述超大模场光纤中光束非线性传输的数值模型，对单芯输出峰值功率的终极受限因素自聚焦效应进行了理论研究，揭示了自聚焦长度随光纤芯径、模式和峰值功率的变化规律。研究结果表明，束靶耦合对单纤模场直径和输出脉冲能量的要求都比现有技术水平都高出一个数量级左右，甚至也高于单芯光纤输出峰值功率的自聚焦受限水平，需要研究新型的超大模场波导结构和抑制自聚焦的方法来解决这一问题。为了对构成高能高功率脉冲光纤激光系统的基本组成部分单纤传输放大链路中的脉冲演化行为进行模拟，本论文建立了基于瞬态速率方程模型和金斯堡-朗道方程模型耦合的复合模型，扩展了原有单一模型的描述范围。作为对单纤传输放大链路的初步实验演示，在脉冲光纤激光放大系统的一般设计准则指导下，设计和实验研究了基于大模场光子晶体光纤的全光纤结构纳秒脉冲激光放大系统，探索了大模场光子晶体光纤的切割和熔接技术，对10ns方波种子脉冲获得了近毫焦能量、单横模的输出。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-10
第1章 研究背景  10-34
  1.1 高能量密度物理研究对激光驱动器的需求  10-13
  1.2 聚变级激光驱动器的光纤集成前端系统  13-17
  1.3 光纤激光技术发展简述  17-20
  1.4 光纤激光器的典型结构  20-23
  1.5 高能高峰值功率脉冲光纤激光器研究进展  23-29
  1.6 光纤放大网络概念  29-31
  1.7 论文结构  31-34
第2章 总体层面关键问题分析  34-47
  2.1 激光驱动器的总体参数需求  34-36
  2.2 总体构架与基本概念  36-40
    2.2.1 总体构架  37-39
    2.2.2 基本概念  39-40
  2.3 决定系统可行性的三大约束条件  40-41
  2.4 关键科学技术问题  41-46
    2.4.1 纵向关键科学技术问题  42-44
    2.4.2 横向关键科学技术问题  44-46
  2.5 本章小结  46-47
第3章 甚多束束靶耦合  47-70
  3.1 光束质量因子守恒条件下的集束耦合  47-56
    3.1.1 光束质量因子守恒  47-48
    3.1.2 集束耦合参数空间的求解流程  48-51
    3.1.3 光纤阵列排布方式及其占空比  51-52
    3.1.4 光束质量因子守恒条件下的集束耦合参数空间  52-56
  3.2 基于平顶高斯光束的单纤束靶耦合  56-61
    3.2.1 平顶高斯光束的传输特性  56-59
    3.2.2 平顶高斯光束的束靶耦合  59-61
  3.3 高斯光束耦合靶面光强分布  61-66
    3.3.1 靶面光强求解物理模型  61-65
    3.3.2 相干组束与非相干组束的靶面光强分布  65-66
  3.4 本章小结  66-70
第4章 单芯光纤输出峰值功率受限  70-85
  4.1 大模场单芯光纤脉冲输出能力受限因素综述  70-72
  4.2 B积分受限  72-75
  4.3 非线性光束传输算法  75-76
  4.4 基模的自聚焦长度  76-78
  4.5 高阶模的自聚焦长度  78-81
  4.6 甚多模叠加的自聚焦长度  81-83
  4.7 本章小结  83-85
第5章 单纤传输放大时谱演化理论  85-107
  5.1 光纤激光传输放大理论框架  85-88
  5.2 瞬态激光速率方程  88-95
  5.3 金斯堡-朗道方程  95-97
  5.4 时谱演化复合模型  97-101
  5.5 脉冲放大器数值模拟  101-106
  5.6 本章小结  106-107
第6章 基于光子晶体光纤的单纤传输放大链路实验研究  107-123
  6.1 脉冲光纤放大系统设计的一般要求  107-110
  6.2 基于光子晶体光纤的全光纤纳秒脉冲放大系统  110-113
  6.3 10μm保偏掺镱双包层光纤放大器实验结果  113-116
  6.4 大模场光子晶体光纤的切割和熔接  116-119
  6.5 30μm单偏振掺镱双包层光纤放大器实验结果  119-122
  6.6 本章小结  122-123
第7章 总结  123-125
  7.1 主要研究内容  123
  7.2 论文创新点  123-124
  7.3 未来研究工作展望  124-125
参考文献  125-137
致谢  137-139
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  139-140

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 光电子技术、激光技术 > 波导光学与集成光学 > 光纤元件
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