（光学专业论文）准速度匹配的电光相位调制器的研制.pdf

占生銮望盔堂堡主鲨丝塞一一 摘要 | f 在强激光驱动的惯性约束核聚变( i c f ) 过程中，当激光束不是均匀辐照靶球表面 时，由于球面各区域所吸收的光能不同，将会阻碍向心的压缩效应；同时，也使激光 光能转化为压缩能的效率大为下降，并产生一系列非线性不稳定过程，大范围的消耗 了激光能量。为抑制各类非线性不稳定过程，并有效实现球形向心压缩，必须对激光 束进行均匀化，以实现靶面的均匀辐照。在一些与i c f 研究相关的单项物理实验中， 光束均匀化技术也具有非常重要的意义；在微电子工业、激光加工、加工切割、热处 、 理等工业应用领域，同样需要入射的激光束对特定的区域进行均匀辐照。p 一 ， 从时间域或空间域对激光束进行调制的角度出发，人们已提出了多种与靶面均匀 辐照密切相关的光束均匀化技术方案。我们采用二维的光谱色散均匀化技术，即2 d s s d 技术来实现激光束的均匀化。它可以实现两个互相正交的方向上的光谱色散均匀 化，能够在很大程度上改善激光束的不均匀性，而s s d 技术的核心就是高频下的深 度电光相位调制器。但是由于介质中存在着微波与光波之间的速度失配，使得调制度 不会随着微波与光波的相互作用长度的增加而增加。 为了实现微波与光波之间的速度匹配，以为获取大的调制度，我们采用了两种方 法：一是利用反相电极；二是采用周期性极性反转技术，分别在本文的第三章和第四 章进行了介绍。反相电极用于准速度匹配的行波电光调制器中，利用条波导进行通光； 周期性极性反转技术用于准速度匹配的驻波电光调制器中，能够实现体调制。 l 我们采用常用的l i n b 0 3 和l i t a 0 3 晶体材料，对准速度匹配的l i n b 0 3 行波电光 l 调制器，特别是其中的反相电极部分进行了理论分析及参数设计；我们还对准速度匹 配的l i t a 0 3 驻波电光调制器进行了较为详细的分析和设计，并在微波调制频率为6 g h z 、光波波长为1 0 6 ui n 的条件下进行了调制器的制作。可以证明，周期性的极性 占塑銮望盔堂堡圭兰焦堡塞 反转技术能够较好的实现光波与微波的准速度匹配。当微波源输出功率为1 6 哪、 体长度约为4 0 m m 时，理论计算所得调制度为至少3 r a d 。此时可以得到约为3 6 g h z 的频谱展宽。最后我们还简要介绍了非周期性的极性反转技术，利用它可以得到更大 的调制度。7 ，- f 关键词：调制度，电光调制，准速度匹配，行波电极，驻波电极， 畴反转 占塑銮望盔堂堡主堂垡丝塞一一 a b s t r a c t i nt h ed i r e c td r i v ei c f ( i n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o n ) e x p e r i m e n t ，i ft h e 。 i 1 1 u m i n a t i o np a t t e r no nt h et a r g e t i sn o tw e l lu n i f o r m e d ，t h ec e n t r i p e t a l e f f e c to fc o m p r e s s i o nw i l lb er e s t r a i n e d a tt h es a m et i m e ，i tw i l lm a k et h e e f f i c i e n c ya b o u tl a s e re n e r g yt r a n s f o r m i n gt oc o m p r e s s i o ne n e r g yd e c r e a s e a n ds e e d sa s e r i e s o fn o n l i n e a ri n s t a b i l i t i e s t or e s t r a i ns o m et h e s e n o n l i n e a ri n s t a b i l i t i e sa n da c h i e v es p h e r i c a lc o m p r e s s i o ne f f e c t i v e l y t h e l a s e rb e a mm u s tb es m o o t h e d i ns o m ep h y s i c a lr e s e a r c he x p e r i m e n tc o n c e r n e d w i t hi c ft h er e s e a r c ho fl a s e ri r r a d i a t i o nu n i f e r m i t yi so fg r e a ts i g n i f i c a n c e a n di ti sa l s ov e r yi m p o r t a n ti nm i c r o e l e c t r o n i ci n d u s t r y ，l a s e rp r o c e s s i n g a n dh e a tt r e a t m e n ti n d u s t r y w e a d o p ts m o o t h i n gb y t w o d i m e n s i o n a ls p e c t r a ld i s p e r s i o n ( 2 一ds s d ) t e c h n o l o g yt oa c h i e v eu n i f o r mi r r a d i a t i o n i tc a nd i s p e r s et h el a s e rb e a mi n b o t h o r t h o g o n a l d i r e c t i o n s b yi n s t a l l i n g t h es e r i e so f p a i r o f p h a s e m o d u l a t o r sa n dd i f f r a c t i o ng r a t i n g s ，s ot h el a s e ri r r a d i a t i o nu n i f o r m i t yo n t h et a r g e ts u r f a c ec a nb ei m p r o v e dg r e a t l y a n dt h ek e yo ft h i st e c h n o l o g y i st h ee l e c t r o o p t i cp h a s em o d u l a t o rw i t hd e e pm o d u l a t i o na th i g hf r e q u e n c y b u ta st h e r ei sm i s m a t c h i n gb e t w e e nt h es p e e d so fm i c r o w a v ea n d1 i g h ti nt h e m e d i u m t h em o d u l a t i o ni n d e xw i l ln o ti n c r e a s ew i t ht h ei n t e r a c t i o nl e n g t h b e t w e e nt h e m i no r d e rt or e a l i z et h ev e l o c i t ym a t c h i n ga n do b t a i nd e e pm o d u l a t i o n ，w e u s e dt w om e t h o d s ：p h a s er e v e r s e de l e c t r o d e sa n dp e r i o d i c a ld o m a i nr e v e r s a l 上海交通大学硕士学位论文 t e c h n o l o g y ，w h i c ha r ep r e s e n t e di nc h a p t e r3 a n dc h a p t e r4s e p a r a t e l y t h e p h a s e r e v e r s e de l e c t r o d e sa r eu s e d i nt h eq u a s i 。v e l o c i t ym a t c h e dt r a v e li n g w a v ee l e c t r o o p t i cm o d u l a t o r ，i nw h i c ht h e1i g h tw a v et r a v e l st h r o u g hs t r i p w a v e g u i d e a n dt h ed o m a i nr e v e r s a lt e c h n o l o g yi s u s e di nt h ef a b r i c a t i n go f s t a n d i n gw a v em o d u l a t o r ，w h i c hc a nr e a l i z eb u l km o d u l a t i o n w ea d o p tt h ef r e q u e n t l yu s e dl i n b 0 3a n dl i t a 0 3c r y s t a la sm a t e r i a l st o d e s i g no u rm o d u l a t o r s o u rm a i nw o r ki st h ea n a l y s i so ft h ew o r k i n gt h e o r y o fp h a s e r e v e r s e de l e c t r o d e sa n dt h ed e s i g no fe l e c t r o d ep a r a m e t e r s w ea l s o a n a l y z ea n dd e s i g nt h eq u a s i v e l o c i t ym a t c h e ds t a n d i n gw a v em o d u l a t o ri n d e t a i l w ec a r r i e do u tt h ef a b r i c a t i o no fs t a n d i n gw a v el i t a 0 3m o d u l a t o ru n d e r t h ec o n d i t i o no f6 g h zm o d u l a t i o nf r e q u e n c ya n dl a s e rw a v e l e n g t ho f1 0 6 um i tc a nb ei m p r o v e dt h a tw i t hp e r i o d i c a ld o m a i nr e v e r s a lt e c h n o l o g yw ec a n o b t a i nt h eq u a s i v e l o c i t ym a t c h i n gb e t w e e nl i g h ta n dm i c r o w a v ef a r ew e l l w h e n t h ep o w e ro fm i c r o w a v es o u r c ei s1 6 wa n dt h el e n g t ho fl i t a 0 3i sa b o u t4 0 m m ， t h et h e o r e t i c a lm o d u l a t i o ni n d e xi s3t a da tl e a s t t h e nw ec a n g e tt h es p e c t r u m e x t e n s i o na b o u t3 6 g h z k e yw o r d s ：m o d u l a t i o n i n d e x ，q u a s i - v e l o c i t ym a t c h i n g ，t r a v e l i n gw a v e e l e c t r o d e ，s t a n d i n gw a v ee l e c t r o d e ，d o m a i nr e v e r s a l ，e l e c t r o o p t i cm o d u l a t i o n 上海交通大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 惯性约束核聚变的物理思想 惯性约束核聚变( i n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o n ，简称1 c f ) 的基本物理思想就是用球形 内爆手段压缩核燃料达到高温高密度，以产生热核反应。在以强激光直接驱动的惯性约 束核聚变过程中，为了实现自持的热核燃烧，装有氘氚燃料的靶球必须被压缩至它们液 体密度的1 0 0 0 倍左右，并使其中心的温度达到一5 k e v “1 图1 1 中表示了基本的热核反 应过程，多束强激光对称地辐照靶球，激光首先与靶球表面的等离子体耦合，除一部分 能量被反射外，绝大部分能量在临界密度域沉积，然后热传导作用将沉积的能量输运到 消融面附近，产生高速径向外爆的等离子体云，并同时直接产生反冲向心压力，即消融 压，消融压驱动消融面附近物质向心加速，压缩靶核内的氘氚燃料，使之达到热核反应的 临界温度，临界密度，在临界的约束时间内最后以球形内爆( s p h e r i c a li m p l o s i o n ) 形式产生 热核反应。 a b l a t i o ns u r f a c e f i g1 h i g hi r r a d i a t i o nu n i f o r m i t yc a nb ea c h i e v e db yo v e r l a p p i n gl a s e b e a m s t h el a s e rl i g h ti sr e f r a c t e di nt h ep l a s m aa t m o s p h e r es u r r o u n d i n gt h et a r g e t w i t ht h e m a j o r i t yo f e n e r g yd e p o s i t e d n e a rt h ec r i t i c a ld e n s i t y h e a t 妇t h e nt r a n s p o r t e i n w a r d e dt ot h ea b l a t i o ns u r f a c ew h e r et h ei m p l o s i o ni sd r i v e n s o m es m o o t h i n go n o n u n i f o r m i t i e sme n e r g yd e p o s i t i o nc a nb eo c c u ro v e rt h ed i s t a n c eo f h e a t t r a n s p o r t 上海交通大学硕士学位论文 1 2 高功率激光对靶面均匀照明的意义及实现 在强激光直接驱动的惯性约束核聚变过程中，当激光束不是均匀辐照靶球表面时， 球面各区域所吸收的光能会出现差别，使得等离子体不对称地外爆，阻碍了向心的压缩 效应，同时，也使得激光光能转变成压缩能的效率大为下降，并产生一系列非线性不稳 定过程，大范围地消耗了激光能量，因此为了抑制热核反应过程中高温等离子体的各类 非线性不稳定过程，特别是r a y l e i g h - t a y l o r 不稳定性等的产生t - 、l j 并有效实现球形向 心压缩，必须对靶球表面能量沉积的不均匀度提出非常严格的要求，其均方根值一般要 小于3 “4 1 。 但是在i c f 实验装置中，激光束经过各个放大级之后，其能量得到不断增加，为了 使得光束能量密度低于光学元件的破坏阀值，激光系统中的光束横截面直径随着传输放 大路径也必须相应地增加，因此光学元件材质的非均匀性、表面面形误差等许多因素都 会产生光束像差，产生的像差往往是光衍射极限的2 0 5 0 倍”1 ，最终在聚焦透镜的焦 面上相互叠加或调制，严重破坏了靶面辐照的均匀性，尽管人们采用了位相共轭和 r a m a nb e a m c l e a n u p 等诸多方法“来努力改善改善质量，但仍然无法消除像差：另外， 复杂的系统也会对光束引入一些无规则的振幅和位相畸变，使得辐照的均匀性变坏；所 以，非常有必要对激光束进行均匀化，以实现表面均匀辐照。 目前，在激光直接驱动的惯性约束核聚变实验研究中，实现靶面的均匀辐照仍然是 十分棘手的问题，也是各国科技人员不断探索的课题。从时间域或空间域对激光束进行 调制的角度出发，人们已提出了多种与靶面均匀辐照密切相关的光束均匀化技术方案。 121 靶面均匀照明的意义 对于强激光直接驱动的惯性约束核聚变，靶球表面能量的沉积与辐照的激光束数 ，； “。，。0 蠡瀛麓凌女$ 巅。 2 占塑窒望盔堂堡主堂焦堡兰 一 目，辐照的方向及靶球尺寸大小等许多因素有关，但最终达到能量在靶球表面均 匀沉积的要求则是通过激光光束在4 兀立体免内的均匀辐照以及消融等离子体的热传导 作用来共同获得的“7 “”1 。 以下分析靶面均匀辐照的重要性。 定义靶球的收缩比= r 。r ，r o 是靶球的初始半径，r 是核燃料被压缩后产生热 核反应时的半径。 核燃料被压缩而产生聚变的时间一r 。v ，u 是压缩的平均速率。假定能量沉积差 6 e 引起的压缩速率差_ u ，则产生的靶球立体角之间总的半径差6 r ；u t ，从而可得 到下列关系式： 坠r = 型型r = ( 争( 挚 ( 1 ) 、1 j7 、r 在不考虑消融等离子体热传导对能量沉积的平滑作用的f 4 况- f ，量值_ u ，v 与能量沉积 的均匀度# e e 的大小( 即辐照的均匀性) 相当，即有： 或写成 坚：塑墅( 1 2 ) rer 6 e6 r er _ n ( 1 3 ) 一般情况下，收缩比 3 0 ，由此可见，i c f 实验对靶面整体辐照的均匀性提出了非常 严格的要求；显然，6 e 太大，靶球表面得不到均匀压缩，靶核燃料会在核聚变临界条 件之前过早膨胀而使热核反应失败。 激光直接驱动的i c f 实验是通过多路激光以一定的对称几何分布共同作用以实现 对靶球的对称压缩，事实上，在激光产生等离子体并因此而形成有效的热传导临界面之 前的时间里，激光束辐照靶面时其横截面光强分布均匀化的程度对靶球的对称压缩起着 决定性的作用：另外，理论研究结果表明，只需每束汇聚激光束的强度分布是均匀的而 上海交通大学硕士学位论文 且是可控的，则有限束激光( 1 2 ，2 0 ，) 的对称辐照叠加可以获得所需的4 兀立 体角球面均匀辐照；因此，可以这样说完成激光束横截面光强分布的均匀化是最终实现 靶面均匀辐照的前提条件“”，开展激光光束均匀化技术研究具有重要的意义。 在一些与i c f 研究相关的单项物理实验中，诸如，激光与等离子体相互作用的研究， 流体不稳定性实验，高压冲击波实验研究“”，则需要将入射的激光光束聚集成一个尺 寸约为十5 0 0 i t m ，光强分布非常均匀的焦斑来辐照一个平面靶。在这些实验中，焦斑的 最佳强度分布是平顶分布，焦斑上光强度分布的均匀性直接影响到实验测量结果所能达 到的精度和结果的可靠性，所以，在这类实验中，光束均匀化技术也具有非常重要的意 义；在微电子工业，激光加工，加工切割，热处理等工业应用领域，同样需要入射的激 光束对特定的区域进行均匀辐照。 因此，靶面的均匀照明技术在科研、工业、等研究和应用领域都具有重要意义。 122 靶面均匀照明的实现方法 在i c f 实验装置中，一般在靶球的结构、辐照的激光束数目确定的情况下，靶球表 面辐照的均匀性和靶球材料的一些特性有关，例如：激光束在靶面的光斑大小、光束截 面光强分布、靶面的反射率、等离子体的尺度大小以及能量吸收率等，因此，不同的实 验对光束辐照的均匀性也有一些不同的具体要求，根据我们的理解和神光装置多年来靶 物理实验的实践经验，对靶面均匀辐照归纳提出如下一些具体要求2 “”： 1 对于直接驱动的i c f 实验，需要将多路激光束对称地聚焦于靶球上，整个球面 上的强度分布不均匀度小于1 2 。对于单束激光光束其焦斑直径大小为2 0 0 , u r n ，光 强分布的不均匀性在5 以下，光强分布的空间频谱要求： a 光强分布没有低频调制。 b 对等离子体云的热传导作用能抹平的高频调制分量可适当放宽。 4 上海交通大学硕士学位论文 2 高功率激光系统末级输出的激光能量非常宝贵，它与i c f 装置的造价密切相 关，因此要求用以实现均匀辐照的光学系统对入射激光有足够高的能量利用率；除尽可 能减少系统的吸收和反射损耗外，对辐照靶面的光斑形态要求为： a 焦斑旁瓣要小，使其包含的能量足够小。 b 中心光斑的边缘足够陡直，使系统的总能量利用率保持在9 5 以上。 3 由于入射激光束的强度和位相有定的随机性，均匀辐照系统对此要有相应的 宽容度。 4 由于i c f 实验对激光脉冲波形有极严格的要求，均匀辐照系统应不影响激 光脉冲形状，时间域均匀辐照技术方法尤其需要注意。 5 均匀辐照系统所使用的光学器件能承受高功率激光负载，例如：1 0 5 4 m 波长 激光脉冲能量为3 1 0 0 j 。 6 均匀辐照系统有足够大的通光孔径，能与入射光束相匹配。目前要求孔径在 q 0 2 5 0 m m 以上。 7 在保证技术性能的条件下，系统造价低，使用方便。 随着i c f 实验研究的不断发展，从物理上提出的具体要求也必将得到不断完善。 在激光传输系统中，为了满足靶面对均匀辐照的要求，早期人们采用真空空间滤波 ( v a c u u ms p a t i a lf i l t e r i n g ) 或等离子体空间滤波( p l a s m as p a t i a lf i l t e r i n g ) 等光束均匀平 滑方法“”，但仍然无法在核聚变装置的末级直接获得所需要的均匀激光波面。经过不断 的探索，人们已提出并发展了许多光束均匀化方法，其基本原理都是以减小或破坏光束 的时间及空间相干性来达到光束的均匀化，根据其时域及空域特性可分为两大类： 1 ) 时间域光束均匀化方法，如：诱导空间非相关( i n d u c e ds p a t i a li n c o h e r e n c e ：i s i ) 、 自发辐射放大( a m p l i f i e ds p o n t a n e o u se m i s s i o n ：a s e ) 和光谱色散均匀化( s m o o t h i n g 圭查銮望盔堂堡i 圭兰笪篓苎 一 一 b ys p e c t r a ld i s p e r s i o n ：s s d ) “等，本质上降低了光束的时间相干性。 2 ) 空间域光束均匀化方法，如：透镜列阵( l e n sa r r a y ：l a ) “。1 7 1 正交光楔列阵 ( o r t h o g o n a l s e g m e n t e d w e d g e a r r a y ：s w a ) m 1 、纯位相元件( p l l r e p h a s e e l e m e n t ：p p e ) 1 和随机位相板( r a n d o mp h a s ep l a t e ：r p p ) “1 等，本质上降低了光束的空间相 干性。 下面将主要针对光谱色散均匀化技术的实现进行简要介绍。 1 3 光谱色散均匀化( s s d ) 技术的实现方案 随着i c f 实验的逐步深入，对光束的质量控制也提出了更高的要求，在1 9 8 9 年， 美国r o c h e s t e r 大学激光热力学实验室( l a b o r a t o r y f o rl a s e r e n e r g e t i c s ) 的s s k u p s k y 等人 首次引入一种新的光束均匀化技术即s s d ( s m o o t h i n gb ys p e c t r a ld i s p e r s i o n ) 技术，该技 术能在保持均匀化的强度包络的同时，减小由子光束间相互干涉所产生的这种干涉结构 对靶面光强分布的影响；s s k u p s k y 等人同时还用双光栅+ 线性电光调制器方案实现了 这一技术，进一步提高了由r p p 均匀化技术所得到的高能聚焦激光束的质量。之后， 各国科技工作者们又提出了基于此原理的若干种s s d 技术方案，下面先简介s s d 技术 的原理，然后就主要的几种s s d 技术方法作简单介绍。 131 光谱色散平滑( s s d ) 原理 这技术的出发点是：在与核燃料热导反应动态响应时间t h 相比较小的时间间隔f 时间内来改变激光束的干涉图样，虽然在任意时刻靶面上呈现的仍是一个高度调制的强 度分布图案，但从时间平均意义上来看，靶面可获得均匀化的光强分布。 干涉图样的改变可以通过光束截面的快速晃动或各子光束之间相对位相的改变来 上海交通大学硕士学位论文 实现，i s l o n d u c e ds p a t i a li n c o h e r e n c e ) 就是用后一种方法即改变子光束间的相对位 相来改变干涉图样的一个例子，而s s d 技术则结合了光束截面的晃动和相位的改变两 个方面。 光谱色散平滑的主要思想是：具有角色散的宽带激光入射r p p 或d p p ，在理想条 件下，每个r p p 列阵元的入射光频率不同，从而使不同的r p p 元出射的子光束因频率 不同而相对位相随时间快速变化。由于子光束间频率及相对位相的不同，它们之间的时 间平均干涉也将大大减少，并最终在靶面上形成相对均匀的时间平均光强分布图案。激 光带宽越宽，瞬时相干结构变化越快，光强分布随时间积分而趋于摸平的时间就越短。 s s d 的实现需满足下列主要要求： ( i ) 产生的带宽没有高强度的尖峰脉冲破坏激光； ( 2 ) 高效率的三倍频； ( 3 ) 保证带宽频率通过d p p 的弥散不会明显改变光束的瞬时分布； ( 4 ) 应在足够短的平均时间内改善均匀性。 s s d 的特点是所有新增加的元件均放在驱动器中，系统尾部无附加元件；用电光 调制使频谱展宽。避免了“混沌”( “c h a o t i c ”) 带宽中强尖峰对系统元件的损坏；以及 高的三倍频转换效率。 132 双光栅+ 线性调制器方案 利用s s d 实现激光的均匀化可以通过用线性电光调制器在激光束上施加频率调制 带宽来完成。频率调制的较简单的方法是将激光束通过电光晶体( 伴随外加的振荡电 场) 。 在s s d 技术中，一个关键之处在于必须在任意时刻使纯位相元件( r p p 或d p p ) 的各 个位相元被不同频率的光照射，若一些位相元具有相同的频率，则会有残留非相于得不 7 到平滑。 设入射光束的复振l 瞎可表示为： e ( x ，z ，t ) = a ( x ) f ( t z c ) e x p 一i c o ( t z c ) 】 ( 1 4 ) 式中a ( x ) 、f ( t ) 分别表示光束非时变和时变振幅分布。如果f ( t ) 是一个准稳态满足高 斯统计分布规律的随机变量，且光束在d 尺度内近似不变( 1 m 缸l d c c h ) ，与此同时 假设阶梯光栅对入射光束的最大延迟量f 一t ，c tf m ，则经过必要的分析运算后，靶面 上光强瞬态分布可写成： m ，f ) = 等s i n c 2 ( 捻旧薹“咖x p ( f 等芦 ( 1 5 ) 式中：d 为衍射包络宽度d = 2 形d 设线性电光调制器的调制幅度为6 ，调制角频率为o j 。，则光束通过线性电光调制 器后电场为： e ( t ) = e oe x p ( i a z + i # s i n c o 。t ) 展开成傅立叶级数得 e ( f ) = e 。，。( f i ) e x p i ( + 国弘 ( 1 6 ) ( 1 7 ) 由e q ( 1 4 ) 和e q ( 1 5 ) 可看出，由电光调制器所位相调制的光束不能充分满足s s d 技术 的这一要求，因为在任一时刻，r p p 的所有位相元将被由e q ( 1 4 ) 中附加相位对时间导数 所确定的单一主频辐照，因此s s k u p s k y 等人又在调制器后引入一个色散元件即衍射光 栅对位相调制光进行角色散，以实现不同频率在光束截面上的循环排序，色散元件光栅 在电场表达式中附加个角色散位相因子，即 其中 2 毛j 。( a 3 e x p i ( c a + c o ) t i k r ( 1 8 ) 占塑銮望盔堂堡圭兰望堡茎一 k 。r = ( 1 c ) ( + 出。) 【zc o s 。+ y s i n 8 。】 z 轴是基频( n ：o ) 的传播方向，n 次谐波的色散角由下式给出： ”万d 8 峨；一n ：；- - 兰一， 曰n 2 i 万“脚m5 一旯甜“m 当。为一个很小的值时，可将e q ( i 8 ) 化为： 驰”m e e i a x - a z 争m 唧h r 一吾+ 筹圳 ( 1 9 ) ( 1 1 0 ) 上式可进一步化为： e 。：e 。e x p i c o t i k z + i 5 s i n o ) 。o z c ) + 样b ( 1 1 2 ) 其中 口如告等 由e q ( 1 1 2 ) 可以看出，瞬时频率在光束截面内以波k 2 z a 为范围晃动，如果2 n a 比光束的直径小，那么所有的调制频谱将加在位相板上，使得位相板的每一位相元能被 不同的频率辐照，虽然瞬时频率只在一个方向上即光栅的角色散方向上变化，同r p p 技术相比，光束的均匀化程度己得到了很大的提高，下面是双光栅+ 线性电光调制器方 案的装置示意图u “ b r 2 f i g 1 2s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f e om o d u l a t e ra n d 图中光栅一的主要作用是对电场幅度引入一个“预延迟”，即与在电光调制器后面 上海交通大学硕士学位论文 的光栅相反的时间延迟；光栅二使光束幅度保持当时的正确形状并对光束施加一 个s s d 所需的频率变化，同时它还提供可用于高效三倍频的光谱散射。适当增加带宽、 子光束数目和调制频率可改善均匀性。 以下各图是他们在该实验中的研究分析结果 2 1 1 j f i 9 1 3t h er e d u c t i o ni n ，m si r r a d i a t i o nn o n u n i f o r m i t yn 5a f t , n c t i o no f a v e r a g m g t i m e c o m p a r e d a r et h e e f f e c t so f l l ) i n c r e a s i n g t h e m o d u l a t i o n f r e q u e n c y f r o m 2 5t 1 0 g h z f o r a 西b a n d w i d t h , ( 2 ) i n c r e a s i n g t h e b a n d w i d t h t 0 4 肖a n d d o u b l i n g t h e m o d u l a t i o n f r e q u e n c y , a n d ( 3 ) i n c r e a s i n g t h e n u m b e r o f b e a m s f r o m 2 4 t 0 6 0 从实验结果看，已经获得了比较好的平滑效果，然而该技术仍存在一定的缺陷，由 于色散只存在于一维方向，在与色散方向垂直的力向上同排的r p p 列阵元具有相同的 频率，它们之间产生的干涉结构将不具有时变特性，因而在靶面上将会形成一个条纹状 的强度分布。为了改进这一技术，美国l i v e r m o r e 国家实验室的j o s h u a e r o t h e n b e r g 等 一，参一每：c)coz差- 上海交通大学硕士学位论文 人提出了更完善的二维s s d 技术，与一维技术相比，其改进点在于对光束进行二 维的正交方向上的色散。这是通过将激光束通过一系列的相位调制器和衍射光栅来实现 的。用保偏单模光纤做第一个相位调制器，产生部分相干光，利用单模光纤的自相位调 制来控制激光脉冲的谱宽，得到频率调制光。光栅用来实现互相正交的两个方向上的色 散，使不同频率的光在空间上分离，破坏了光束的空间相干性；线性电光相位调制器使 不同频率有不同的调制相位，因而不同频率的光就在时域上分离，破坏了光束的时间相 干性。 该技术的原理框图如下图所示1 2 2 1 f 培i 4t h e s t a n d a r d i m p l e m e n t a t i o no f 2 d s s d 这种情况下，经过调制和色散后的电场表达式如下： 。r ( r ) = e 。( t ) e x p i 6 。s i n ( 2 x v ；( f + s ，z ) ) + i 6 ys i n ( 2 x v y o + s y y ) ) 】( 1 1 3 ) 式中占：和万，分别为调制器的调制深度，s ，和s y 分别为由两个正交方向的光栅所产生的 单位长度上的时域延迟。 此方案所获得的实验结果及其与维技术所得结果的比较如下所示1 2 2 1 上海交通大学硕二e 学位论文 l i m e ( p 司 f i 9 1 5v a r i a t i o no f t h ee f f e c t i v en u m b e ro f d e c o r r e l a t ? ds p e c k l e p a t t e r n s ( 1 口? ) w i t h t i m e f o r 2 d s s d o n e m o d u l a t i o n f r e q u e n c y i s l o g h z , a n d 腩e o t h e r i s l o ( d o t s ) , s ( a a s h ) , z 5 ( d o t 一缸s h ) a n d3 6 g h z ( s o l d ) t h eb a n d w i d t ho f e a c h m o d u l a t o ri s 133 全光纤方案2 3 2 4 1 1 9 8 7 年，法国d v e r o n ，h a y r a l 等人提出了将多模光纤作为色散元件，取代 双光栅方案中的光栅进行色散的思想。1 9 9 3 年，日本大阪大学激光工程学院试验了全 光纤方案，该方案不仅要用到多模光纤，而且还要使用单模光纤。这种方案的出发点与 双光栅线性调制器方案基本相同，都是基于在很短的时间内，聚焦光束图样产生迅速 的变化，来平滑小范围的非均匀性。方案的基本原理是：利用单模光纤中的自相位调制 ( s p m ) 来降低激光的时间相干性，在光路上引入色散元件降低激光光束的空间相干性 这个色散元件就是多模光纤。利用多模光纤的模式色散代替双光栅方案中的光栅角色 散。 假设入射脉冲长度b ，相干长度为l c ，两者满足l p l c 。在经过光纤传输后的输 出端面，光束的空间相干部分分布在不同的扭曲层上，如下图所示”“ 土塑銮堕盔堂亟堂焦堡窒 一 f i g j6 p r i n c i p l eo f t h eo p t i c a ls m o o t h i n g 如f i g1 6 所示，经过色散元件光纤后，位于同一平面p 的光子在相同的时间内 到达目标靶，而平面p 跨越了好几层相干长度为l c 的相干平面。许多独立的干涉 平面同时叠加在目标靶上。当光束聚焦在目标靶上时，在给定的时间内，到达聚焦 点的光子是由振荡器在不同的时间发射出的。假设最大的延迟时间远远大于相干时 间，每个干涉图样的混合就导致了空间能量分布的平滑。可以这样讲，光平滑己经 将时间非相干转化为空间非相干性。有效的平滑是通过相干时间小的相干光进入一 个高度色散的色散元件中。 由以上可以看出，增加频宽的机制是根据单模光纤中的s p m 引起的频率啁啾， 频宽( 时间相干) 可以通过改变单模光纤入射光强得到方便连续控制。通过一根长 的多模光纤引起的模式转换来获得啁啾脉冲的空间非相干性，光束散射( 空间相干) 可以通过选择多模光纤的芯径和数值孔径来控制。在多模光纤输出端，用条纹相机 ( 2 p s 分辨率) 来测量时域光束图样，定义典型的时间平均强度：旺 、 w 伍。，= 之揣d tt 。“ l f i g1 7 为谱宽分别为1 0 n m 和1 6 n m 两种情况下的归一化标准偏差w ( x ，。j 与 平均时间的对应关系 2 3 1 0 占墨銮望2 1 堂亟主兰笪笙塞一 a v e 稳嗡啦翻翻扣嗡 f i gj7 n o r m a l i z es t a n d a r dd e v i a t i o n so ft h ei n t e n s i t yd i s t r i b u t i o nf o rs p e c t r a w i d t hi6a n d10n m d e p e n d i n go nt h ea v e r a g i n gt i m et h es t a n d a r dd e v i a t i o r e a c h e sd1 3 f o rb o t ht h es p e c t r a lw i d t ha tt h ea v e r a g i n gt i m eo f a r o u n dl o o p s 1 3 4 光纤光栅线性调制器混合方案2 5 1 1 9 9 7 年，日本大阪大学激光工程学院提出了这种混合方案并且成功地进行了实 验。该方案总的出发点是利用时间域的光束均匀化技术。基本原理为：前端系统中 的单模光纤产生部分相干光，利用单模光纤中的自相位调制来控制激光脉冲的谱 宽，得到频率调制光，前面我们谈到的无规位相板方案中，对其中的子光束之间的 小范围的干涉无法消除，也就是说，不能很好地抑制中高模式( 2 0 1 4 0 ) 的非均 匀性，这就需要对入射激光进行相干控制。方案中的光纤正是对激光进行相干控制 产生部分相干光。这套前端装置也可以用来进行脉冲整形。后面光栅和线性电光调 制器的作用与第一种方案相同，线性电光调制器在每个频率上附加一个调制相位 不同频率具有不同的调制位相，结果就是具有不同频率的光在时域上分开。光栅的 作用是引入角色散，由于角色散位相因子与各自的空间色散角有关，因此做到了使 不同频率的光在空间分离，破坏了光束的空间相干性。光路中后两块光栅实现两个 正交方向的角频谱色散，即二维s s d 技术。f i g1 8 为该实验方案的实验结果 2 5 1 0 ooll。一，。尊鬟穰奄i_鼍一_掣。盥一穗koz 圭童銮望盔堂塑主堂堡笙茎一 a 1 a 且1 l ； a a l f 1 w a o t x l 话a 雕 l a 栩州nl ： l t 呻： ： l = 黼l 。 - - - i i ，-k 。一一馈 旭 。_ - 、 一_ _ 、，w_ j - _ ，_ 蠛 ；- = 翮 一- 弓一 嚼赢蚤 - ，。叫 弼熔 j 釉 l q ， ，- _ _一r v 讷 ： ： i f i g1 8 l a s e ri r r a d i a t i o nn o n a n 析o r m i 矗e sc a l c u l a t e d o ras p h e r i c a lt a r g e to 5 0 0 z m d i a m e t e ru s i n gs i n g l eb e a m p a t t e r n s t a k e n y o ，d i f f e r e n t p u l s e w i d t h s 1 4 二维s s d 技术中的频谱展宽技术 我们采用二维s s d 技术来实现光束的均匀化。由以上的一些简要介绍可知，在s s d 技术中有一个重要的技术就是频谱展宽技术，单纯的频谱展宽技术有很多种实现方案 例如波导电光相位调制器，体电光相位调制器等等，然而在s s d 技术中，由于i c f 实 验中的一些要求及限制，对频谱展宽技术也有一定的要求 1 ) 要求有比较高的调制频率，一般要达到几个g h z 一几十个g - i z ，因此普通 的低频电场已经满足不了这种要求，需要用到微波电场来对光场进行调制。 2 ) 调制频谱要求有一定的带宽，也就是调制器要达到一定的调制深度。在s s d 4s_鼻善鼍暑著之 上海交通大学硕：l 学位论文 技术中，激光带宽越宽，瞬间相干结构变化越快，光强分布随时间积分而趋于抹 平所需的时间越短；但谱宽要受到三倍频效率的限制。 3 ) 在i c f 实验中还要求有一定的通光孔径。 因此，为了满足这些要求，对于光束+ 线性调制器方案中用到的电光相位调制器来 说，就必须使用通光孔径较大的体电光晶体，外加调制电场为频率6 1 0 g h z 的高频微 波电场，为了达到一定的调制带宽