介绍了基于啁啾脉冲放大(CPA)技术的100 TW级钛宝石激光装置SILEX-I.SILEX-I装置主要包括飞秒振荡器、Offner展宽器、多级放大器、以及对应的脉冲压缩器和靶室等.该装置可以输出5,30,100 TW级3个功率段,并分别配套相应的靶室系统,可以满足多种物理实验的需求.目前该装置的末级输出峰值功率达到286 TW,脉宽29.8 fs,靶面聚焦功率密度达到3.36×10²⁰ W/cm².

采用分步法结合Hankel变换对修正薛定谔方程进行数值求解,通过数值计算对飞秒脉冲在非线性正色散介质中的自聚焦特性进行了简要分析.在此基础上,针对啁啾脉冲放大系统(CPA)中的啁啾高斯脉冲,对其全光束自聚焦特性进行了计算模拟和分析讨论.研究结果表明,群速度色散(GVD)对大啁啾脉冲的影响很小,谱宽对自聚集的影响可以忽略.因此,具有大啁啾的脉冲在非线性正色散介质中的自聚焦特性不同于飞秒脉冲,而与纳秒脉冲相似.

设计了一种与高功率超短脉冲激光放大过程中获得的总增益、增益介质的带宽、激光带宽、脉冲中心波长等参数相关的调制函数,对激光放大过程中的光谱增益窄化进行补偿.此调制函数的优越性在于,对不同性能的激光系统,无需改变调制函数的形式就能适用.通过数值模拟的方法,讨论了在不同增益介质带宽、激光带宽、脉冲中心波长下的补偿效果.此调制函数在高功率超短脉冲激光系统中有良好的应用前景.

分析了口径为ф80 mm的钛宝石晶体内的增益特性,对大口径钛宝石晶体中的泵浦光能量密度和泵浦光口径进行了优化设计.对于ф80 mm×17 mm的晶体,最佳工作光束口径为ф55 mm,泵浦能量为50 J;对于ф80 mm×30 mm的晶体,最佳工作光束口径为ф60 mm,泵浦能量为90 J,且其横向小信号增益远小于ф80 mm×17 mm晶体的.对影响大口径钛宝石晶体放大的横向放大自发辐射(ASE)和寄生振荡采用折射率匹配的包边技术进行了抑制。实验表明,该方法把允许横向增益从13提高到了2 100.实验系统为100 J绿光台面泵浦激光器,100 TW主放大器采用四程空间构型放大光路.ф80 mm×17 mm钛宝石晶体c轴水平放置,泵浦光和主激光均为水平偏振.当以泵浦光能量为49 J对主放大器进行双端泵浦,注入信号光能量为1.2 J,光束口径ф60 mm时,获得了14.2 J的放大光输出和286 TW的最高峰值功率.

介绍了光学薄膜温度场的基本理论,利用交替隐型技术,对10.6μm激光辐照下介质薄膜的温度场分布进行了数值模拟和理论分析.在此基础上,利用夏克-哈特曼波前传感器对介质基底样品、不同厚度的介质单层膜样品以及不同膜系的YbF3/ZnSe介质多层膜样品在10.6μm CO2激光辐照下的热畸变进行了实验研究.研究结果表明,激光辐照下光学薄膜样品的温度场分布与辐照激光的光场分布、激光功率以及激光的辐照时间等因素有关.对于10.6μm激光而言,Ge最适宜做基底材料.

利用LI近期提出的平顶光束新模型,推导出平顶光束通过傍轴ABCD光学系统传输后光场分布的解析公式.以透镜系统为例,给出了平顶光束聚焦场分布的解析表达式,对平顶光束的聚焦特性进行了详细分析.

利用非线性薛定谔方程,详细研究了放大介质的增益窄化和增益饱和效应对超短脉冲在放大介质传输特性的影响,以及传输过程中B积分的影响.在此基础上,对超短脉冲放大系统的逆问题进行了研究,即在给定放大系统参数和满足物理实验要求的输出脉冲波形前提下,求出相应的输入脉冲波形.

光束传输M2因子是表征激光束的有用参量。利用矩形函数的复高斯函数的近似展开方法,给出部分相干光通过硬边光阑后强度二阶矩的近似计算公式,由此可得到部分相干光通过硬边光阑后的推广M2因子。以有振幅调制和相位畸变光束为例,推导出相应的推广M2因子的解析表达式,通过数值计算对提出的近似算法的计算精度进行了分析。研究结果表明,使用该近似方法计算得到的推广M2因子的计算误差小于1％,且通过该方法可直接得到相应的近似解析计算公式,从而使计算得以简化,并有效地提高了计算效率。

给出了描述掺钛蓝宝石激光放大器的速率方程组,通过对放大介质内反转粒子数密度和放大自发辐射的时间和空间特性的数值计算与分析,提出可通过控制泵浦光脉冲和信号光之间的时间延迟来有效地抑制放大自发辐射对放大器增益的影响.

基于将矩形函数近似展开为有限数目复高斯函数叠加,推导出高斯-谢尔模型(GSM)光束通过有限尺寸透 镜的聚焦场光强分布的计算解析公式,给出了数值计算例,并与数值积分计算结果进行了比较。研究结果表明, 本方法能有效地提髙计算效率。