基于光传输的激光驱动器负载能力提升设计研究

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在高功率激光驱动器中,激光运行通量通常接近于光学元件损伤阈值,三倍频段的光学元件是最容易发生激光诱导损伤的部分,严重制约着高功率激光驱动器负载能力的提升。其中,三倍频光学元件发生损伤的一个重要原因是:小尺度颗粒污染物调制激光光束而使下游光束产生高光强调制点,这种局部区域的峰值光强超过光学元件损伤阈值时容易诱导光学元件损伤。因此,避免颗粒状扰动光束在传输过程中诱导光学元件损伤非常必要。鉴于颗粒污染物对激光驱动器激光运行通量提升的严重影响,本文从光传输角度研究在终端光学组件中如何降低由颗粒污染物引发的光束质量劣化和光学元件损伤带来的风险。本文在理论上研究了颗粒状扰动光束线性和非线性传输的物理模型和数值模拟,在实验上验证了颗粒状扰动引起较高光强调制的理论预期,从光传输角度阐明了颗粒状扰动光束诱导光学元件初始损伤的机制,提出了一种规避光学元件初始损伤的策略和方法,并已得到实际应用。此外,还分析了颗粒状扰动对远场焦斑的影响,探讨了3种集束聚焦方案下的靶面光强分布特性。  本研究主要内容包括:⑴研究了光学系统中颗粒导致的光束调制演化规律,阐明了诱导光学元件初始损伤的机制。本文研究发现,除元器件本身存在的初始颗粒外,被调制的传输激光还会诱导产生次级颗粒;数值模拟了各类颗粒状扰动光束的线性和非线性传输效应及近场光强调制幅度,解释了光学元件前表面颗粒诱导后续表面损伤的原因和机制。⑵研究了什么样的颗粒污染物容易引起高光强调制。基于颗粒的三种存在状态,获得了实际扰动光束的光强调制规律,检测到了较高光强调制幅度的存在,验证了相关颗粒状扰动模型和诱导损伤机制的合理性。⑶提出了一种避免颗粒状扰动光束诱导损伤的策略和方法。合理利用与控制衍射效应,避免光学元件落在颗粒状扰动光束的高峰值强度区,从统计上优化三倍频光学元件的排布和厚度。⑷研究了颗粒状扰动对光束远场的影响,结果表明随着光学元件初始损伤点的快速增长,将引起大面积遮光和高频调制大幅增强,从而造成焦斑能量损失和激光穿孔时的等离子体堵孔。⑸研究了有助于提升负载能力的远场聚焦方式。基于终端光学组件中的二维离轴透镜、一维离轴透镜和非离轴透镜3类大口径透镜,研究了3种2×2集束聚焦设计方案,分别分析了其波前调制特性,模拟获得了相应的靶面光强分布特性,研究结果为集束聚焦方案的优化提供参考。
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