激光放大器光束传输与整形技术研究

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1、作者姓名：指导教师：学位类别：学科专业；研究所：密级：——中国科学院大学UniversityofChineseAcademyofSciences博士学位论文置瞌士匠差位维班嚣虽生国銎堂瞳盎虫班茳虽工堂簋±盘堂王程生国銎堂隧迸皇班整睦2013年05月答辩主席ResearchoftheBeamTransmissionandf、■●rn●●o●T‘·‘●一Snapln2leCnnlqUeOlLaserAmDliIlerByXiongxinTangADissertatiOHSubmittedtoTheUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfil

2、lmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofEngineeringAcademyofopto—Electronics，ChineseAcademyofSciencesMay,2013关于学位论文使用权声明任何收存和保管本论文各种版本的单位和个人，未经著作权人授权，不得将本论文转借他人并复印、抄录、拍照、或以任何方式传播。否则，引起有碍著作权人著作权益之问题，将可能承担法律责任。关于学位论文使用授权的说明本人完全了解中国科学院光电研究院有关保存、使用学位论文的规定，即：中国科学院光电研究院有权保留学位论文的副本，允许该论文被查阅；中国科学院光电研究院可以

3、公布该论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存该论文。(涉密的学位论文在解密后应遵守此规定)一陋．h一名瑚钟维⋯I≥口关于学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。⋯陋⋯燧名砌钟维帅心¨。摘要光束近场均匀性是激光放大器的重要考核指标，直接决定了激光放大器的负载能力和安全运行系数，是激光放大器总体设计需要首先考虑的问题之一。由于窄带脉冲在高功率激光装置中对缓解

4、自聚焦现象、抑制大口径光学元件内横向受激布里渊散射(SBS)效应上存在诸多问题，选择了钕玻璃作为高能量激光放大器的工作介质，进行小宽度脉冲放大。但是，钕玻璃的热传导系数(以N31为例：5．58W／cm℃)很低，在大能量泵浦条件下存在严重的热效应，输出光束质量会被严重劣化。同时，钕玻璃的受激发射截面比常用的激光晶体低1～2个数量级，要实现高光束质量的激光输出较困难。本文着重研究了高能量激光放大器的光束传输和整形技术，主要内容包括以下几个方面：1．介绍了国内外常用的光束整形装置，包括非球面伽利略型整形系统、双折射透镜组整形系统、二元振幅型面板、液晶空间光调制器，以及商用整形产品平顶切趾器和折射光束

5、整形器。2．立足于远场条件下的Huygens．Fresnel衍射积分，通过对衍射积分方程进行变形和推导，并结合傅立叶变换理论、线性卷积理论，推导了平行光线性传输和聚焦光束传输计算的快速算法，在此基础上编写了自由空间线性光传输的模拟计算程序。同时，采用矩阵分解和有限个复高斯函数之和逼近硬边光阑窗函数相结合的方法，分析了平顶高斯光束通过空间滤波器的传输特性。以光束传输理论和衍射理论为基础，对平顶分布光束在复杂光学系统中的传输变换进行理论推导，并编程模拟光束在激光放大器中的传输过程，为光束空间整形补偿奠定理论基础。3．研制了一台重复频率1Hz，纳焦耳输入／百毫焦耳以上输出的全固态激光放大器。简介了此

6、激光放大器的设计指标、技术方案和实验装置；对激光放大器的能量分布、像传递和鬼光束进行了详细的计算；并利用自由空间线性光传输的模拟计算程序，针对不同的光束软化因子、光束圆角对像传递面上的关键位置进行了模拟，重点考察这几个界面的近场分布。由于激光放大器选用LD侧面泵浦的方式，为了实现108的能量净增益，对口径为10mmX10mm的光束采取了缩束后对锥形光束进行能量放大的方案，导致在像传递面上的关键位置得到的近场分布不理想，光斑上出现了衍射现象，必须对光束空间分布进行补偿。但是，这种方案突破了钕玻璃作为激光介质时对中小口径光束进行能量放大工作频率仅为1发次／20分钟的限制，将激光放大器的重复频率提高

7、到1Hz。4．研究了光束空间整形的灰度补偿法。由于在激光放大器的设计中，采取了光束缩束后对锥形光束进行能量放大的方案，导致在激光器出口采集到的光斑近场调制度高达1．85：1。液晶空间光调制器是一种高对比度、高分辨率、主动型、可编码的空间光调制器件。在液晶空间光调制器中写入灰度图像，不同的灰度对应着光束不同的透过率，通过对液晶空间光调制器各像素点透过率的控制实现了光束的振幅调制。利用液晶空问光调制器