基于尾波的大能量少周期脉冲压缩

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少周期(Few-cycle)超短脉冲在物理学,生物等领域中有着广泛的应用。获得大能量高强度的少周期脉冲是近些年来的研究热点,各种各样的产生少周期脉冲的方法层出不穷,例如多通腔脉冲压缩技术,空芯波导脉冲压缩技术等等,虽然使用这些非线性介质的脉冲压缩方案可以产生脉宽小于10fs的超短脉冲,但是脉冲的能量往往受到介质损伤阈值的限制,无法到达10m J以上。相对的,目前有另一种使用等离子体尾波的脉冲压缩方案,这种方案的好处是可以不用考虑损伤阈值的限制,因此可以承受高能量高强度的脉冲。虽然目前基于尾波的脉冲压缩方案所使用的输入脉冲能量都在焦耳量级,但是还没有在实验中产生10m J以上的800nm少周期压缩脉冲。本文中,我们提出了使用准非线性尾波的脉冲压缩方案,通过仿真,获得20m J,中心波长在800nm的少周期脉冲。我们使用粒子仿真实验对脉冲压缩方案进行验证,所使用三维粒子仿真代码为经过验证广泛使用的Osiris。文章中使用33.5m J,30fs的脉冲作为输入,使用完全电离时电子密度在1019cm3-量级的低密度均匀等离子作为非线性介质,脉冲与等离子体相互作用产生准非线性尾波,发生自相位调制实现频谱展宽。通过综合使用自压缩以及外界色散管理,最后我们获得了大能量中心波长保持不变的少周期脉冲。在这项工作中的主要创新点有:脉冲频谱实现对称展宽;压缩脉冲相比输入脉冲保持中心波长不变,仍为800nm;使用临界功率附近的输入脉冲实现脉冲稳定传输及压缩;使用的尾场为准非线性尾波而非高度非线性尾波;组合使用脉冲自压缩以及外界色散管理进行脉冲压缩。此外,我们详细分析了激光等离子体相互作用的过程中,频谱的变化进而找到影响频谱展宽对称性的因素;综合对比了线性,准非线性尾波以及非线性尾波对于频谱展宽的影响;考虑了三维情况下,自聚焦及尾波约束对于脉冲压缩的影响。在此基础上,我们找到了一个合适的参数范围,最终得到了空间分布好,轴上光束质量高的相对论强度的少周期脉冲。
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