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1、P W 装置前端展宽器的设计与高阶色散的研究A 鑫P W装置前端展宽器的设计与高阶色散的研究杨 鑫 指导老师: 谢兴龙摘要在P W激光系统中， 高峰值功率激光脉冲的产生必须做到 有效的从增益介质 中抽取能量， 从而获得有效放大; 同时又必须克服在放大过程中极高峰值功率给 放大器带来的损伤， 这就是几乎所有的高峰值功率超快激光系 统都采用了 惆 啾脉 冲放大技术( C P A ) 和脉冲压缩的原因。 本论文工作的重点是脉冲展宽器的设计与 实验。 我们还针对设计的反射式单光栅展宽器建立了数学模型， 进行了较为全面 的数值模拟计算。概括起来，主要研究成果如下:1 .设计了反射式单光栅展宽器。2 .
2、用光线追迹法给设计的展宽器建立了 数学模型，并进行了较为全面的数值模拟，包括:1 )利用这个模型对展宽器中元件失调对展宽器二阶色散和输出光束发散角的影响，以及展宽器中球面反射镜和光栅尺寸的有限大小对带通的影响进行了 模 拟计算。发现当 平面反射镜 M1的纵向 偏离角为0 2度时，展宽器的二阶色散量最大;偏离角大于或小于 0 2度时，展宽器的二阶色散量随之减小，得到了元件失调会增加输出光束发散角的结论。 并发现展宽器中 衍射光栅和球形凹面镜尺寸的有限大小对带通有限制作用。提出了利用反射镜 ml纵向的适当偏离增大展宽器二阶色散量的方法，以及增大衍射光栅和球形凹而反射镜尺寸来提高展宽器带通的方法，从
3、而进一步减少展宽过程中的光谱剪切 。2 通过数值模拟计算，分析了残留的高阶色散和 s积分对输出脉冲波形和强度对比度的影响，以及不同量值的残留色散和 B积分对输出脉冲波形和强度对比度的不同影响，从而找到了各阶色散量对输出脉冲波形和信噪比 产生明显影响的临 界值。3 ) 从理论上对 P W 激光系统的几种色散来源进行了分析和讨论，采用数值拟和的方法获得了钱玻璃和 K 9 玻璃折射率公式的系数， 推导了表征各阶色散的导数的表达式，并对 P W 激光驱动器增益介质钦玻璃和由” 玻璃加工的光学元件引入的附加高 阶色散量进行了 计算。通过对亚皮秒脉冲的展宽和压缩进行模拟，发现放大过程中引入的P W装置前端
4、展宽器的设计与高阶色散的研究湘 鑫高阶色散对输出脉冲质量的影响可以近似忽略。 3 _分析和讨 一 论了 色散的 补偿问 题，并 提出了 有效的补偿方法。 4 .使用这个展宽器我们在实验中成功的从脉宽为 1 0 0 f s I谱宽为 1 6 n m的超短种子脉冲中提取了 谱宽 为 0 . 4 n m ，脉宽为 5 0 0 p s 的激光脉冲。 展宽后的脉冲仍具有较好的输出质量，基本达到了实验的预期要求。 关键字: 超短脉冲，展宽器，碉啾脉冲放大，群速度色散，色散补偿P W装置前端展宽器的设计与高阶色散的研究2 杨鑫De s i g n o f t h e s t r e t c h e r a
5、n d s t u d y o n h i g h - o r d e r d i s p e r s i o n o nP e t a wa t t l a s e r s y s t e mY a n g X i n D i r e c t e d b y : X i e X i n g L o n gAb s t r a c tI n t h e P e t a w a t t l a s e r s y s t e m , t h e g e n e r a t i o n o f h i g h p e a k - p o w e r p u ls e m u s t m a k e
6、 it p o s s i b l e t o e x t r a c t e n e r g y e f f i c i e n t l y fr o m t h e g a i n m e d i u m, w h i l e a v o i d i n g v e r y h g i h p e a k - p o w e r in t h e a mp l i f i c a t i o n p r o c e s s i t s e l f , w h i c h m a y d o d a m a g e t o t h e o p t i c a l a mp l i f i e
7、 r . T h i s i s t h e r e a s o n w h y n e a r l y a l l h i g h p e a k - p o w e r , u l t r a f a s t l a s e r s y s t e m s m a k e u s e o f C P A ( C h i r p e d P u l s e A m p l i f i c a t i o n) t e c h n i q u e , f o l l o w e d b y o p t i c a l c o m p r e s s i o n . T h i s p a p
8、e r ma in l y w o r k s o n t h e d e s i g n o f p u l s e s t r e t c h e r a n d p u l s e s t r e t c h i n g e x p e r i me n t w i t h i t . We s e t u p a t h e o r e t i c a l mo d e l f o r t h e n e w l y d e s i g n e d s i n g l e - g r a t i n g s t r e t c h e r a n d a n u m e r i c a
9、 l p r o g r a m t o f u l l y s t u d y t h e p r o c e s s o f p u l s e s t r e t c h i n g a n d c o m p r e s s i n g . T h e m a i n w o r k s a r e s u mm a r i z e d a s f o l l o w i n g s :1 . D e s i g n e d a n e w s in g l e - g r a t i n g s t r e t c h e r .2 . We s e t u p a t h e o
10、r e t i c a l m o d e l f o r t h e n e w l y d e s i g n e d s i n g l e - g r a t i n g s t r e t c h e rb a s e d o n r a y - t r a c i n g a n d a n u m e r i c a l p r o g r a m t o f u l l y s t u d y t h e p r o c e s s o fs t r e t c h i n g a n d c o mp r e s s i n g :1 ) B y t h i s t h e
11、o r e t i c a l m o d e l , e ff e c t s o f m i s a l i g n me n t o f o p t i c a l e l e m e n t s o fs t r e t c h e r o n t h e s e c o n d d i s p e r s i o n a n d o n t h e d e v i a t i o n a n g l e o f t h eo u t p u t p u l s e a r e a n a l y z e d f i r s t l y . T h e c o n s t r a i
12、n s o f t h e f i n i t e s i z e o f t h ed i f f r a c t i o n g r a t i n g a n d t h e c o n c a v e mir r o r i n t h e s t r e t c h e r o n s p e c t r u mb a n d w i d t h a r e a l s o c o n s i d e r e d . I t i s f o u n d , w h e n t h e m i s a l i g n me n t a n g l ef o r t h e p l a
13、n e r e f l e c t i v e mi r r o r M1 i s 0 . 2 d e g r e e , t h a t t h e s e c o n dd i s p e r s i o n o f t h e s t r e t c h e r w i l l r e a c h t h e m a x i m u m. I n c r e a s i n g o rd e c r e a s i n g m i s a l i g n m e n t a n g l e， t h e s e c o n d d i s p e r s i o n o f t h e
14、s t r e t c h e rw i l l d e c r e a s e . T h a t i n i c a t e s t h e mi s a l i g n m e n t o f o p t i c a l e l e m e n t s o f t h es t r e t c h e r i n c r e a s e s d e v i a t i o n a n g l e o f o u t p u t p u l s e . I n c o n c l u s i o n , n e ww a y s o f i n c r e a s i n g s e c
15、o n d o r d e r d i s p e r s i o n b y m i s a l i g n i n g r e fl e c t i v em i r r o r ,o r i mp r o v i n g b a n d w i d t h b y i n c r e a s i n g s i z e o f t h e d i f f r a c t i o ng r a t i n g a n d t h e c o n c a v e mi r r o r i n t h e s t r e t c h e r a r e p r o p o s e d2 ) E
16、 f f e c t s o f t h e r e s i d u a l h i g h o r d e r d i s p e r s i o n a n d B i n t e g r a l o n o u t p u tp u s l e , a n d d i ll e r e n t q u a n t i t y o f r e s i d u a l h i g h o r d e r d i s p e r s io n o n o u t p u tp u s l e a n d B i n t e g r a l a r e s i mu l a t e d a n d a n a l y z e d3 ) S e v e r a l k i n d s o f d i s p e r s i o n r e s o u r s e s i n t h e P e t a w a t t l a s e r s y s t e m a r eP W装盖前端展宽器的设计与高阶色散的研究/ 杨鑫a n a l y z e d t h e o r e t i c
