（光学专业论文）cpa系统中光束的测量、评价和改善.pdf

摘要 超高强度超短激光脉冲因为在x 射线激光、实验室天体、惯性约束核聚变、 激光粒子加速器、强场物理等研究领域内具有重要的应用，己发展成为激光技术 的热点研究之一。啁啾脉冲激光放大技术作为一种可以获得飞秒量级超强激光脉 冲的有效手段而受到各国的重视，与此同时，人们对反映激光光束空间特性的光 束质量要求越来越高。 在攻读硕士学位期间，作者承担了“5 太瓦2 0 飞秒c p a 激光系统”项目中 有关光束的测量、评价和改善的理论和实验工作。本论文是对所作工作的总结， 主要内容如下： 1 回顾了超强超短激光脉冲技术的发展历程，其中着重介绍了c p a 技术的 基本原理、系统结构和最新进展。 2 从光束的m 2 问题入手，研究了测量光束质量因子的理论依据，建立了用 二阶矩理论和非线性最小二乘法拟合高斯光束的算法模型，并设计了用于本实验 室c p a 系统的光束质量诊断系统的主要软件模块。 3 利用傅里叶光学的方法和激光模式理论，通过数学上的合理近似和对能 量频谱函数的数值积分，计算了激光束中基横模和主要低阶横模的径向空间频谱 和空间截止频率，并讨论了以基横模的空间截止频率作为空间滤波器的截止频率 的可行性，得到小孑l 直径约取6 9 3 倍衍射极限长度时，空间滤波器能够较好地 滤去t e m 。模以外其它横模的大部分高频能量成分，并通过实验加以验证。此外， 引入了一个用以辅助描述空间滤波器滤波性能的光束质量改善因子b 。 4 从理论上讨论了超短激光脉冲脉宽的测量技术，着重介绍了相关法测量 原理；分析了几种二次相关测量技术的优缺点。 关键词： 飞秒激光放大系统，啁啾脉冲激光放大，光束质量，m 2 因子，高斯 光束，二阶矩，最小二乘法，曲线拟合，空间滤波，傅里叶变换， 衍射极限长度，自相关测量法，相关函数 a b s t r a c t a s u l t r a - - h i g hi n t e n s i t ya n du l t r a - - s h o r tl a s e rp u l s eh a s a ni m p o r t a n ta p p l i c a t i o ni n t h ef i e l do fs o p h i s t i c a t e da n da d v a n c e dr e s e a r c h ，s u c ha sx r a yl a s e r ，l a bc e l e s t i a l b o d i e sp h y s i c s ，i c f , l a s e r - p a r t i c l ea c c e l e r a t o r , h i g h i n t e n s i v ef i e l dl a s e rp h y s i c sa n ds o o n i th a sb e c o m et h ef o c u so fr e l a t e dr e s e a r c h a n da sc h i r p e dp u l s ea m p l i f i c a t i o n f c p a ) i sa ne f f e c t i v em e t h o d t og e tt h el a s e rw i t hu l t r a - h i 【g hi n t e n s i t ya n du l t r a - s h o r t p u l s ew i d t h ，i t d r a w sg l o b a l a t t e n t i o n m e a n w h i l e ，g r e a t e ri m p o r t a n c e i s b e i n g a t t a c h e dt ot h eb e a m q u a l i t yw h i c h r e f l e c t st h e s p a t i a l c h a r a c t e ro f t h el a s e r d u r i n gs t u d y i n gf o rm a s t e r sd e g r e e ，t h ea u t h o ru n d e r t o o kt h et a s k 。f “d e t e c t i i o n ，e v a l u a t i o na n da m e l i o r a t i o n o fl a s e rb e a m1 i nt h e p r o j e c to f “5 t w ，2 0 f sc p as y s t e m ”t h i sd i s s e r t a t i o ni s t h es u m m i n g u p o ft h ea u t h o r sr e s e a r c ha n de x p e r i m e n t a lw o r k t h em a i nc o n t e n t s a r e a sf o l l o w s ： 1 r e v i e w e dt h eh i s t o r yo ft h ed e v e l o p m e n to fu l t r a s h o r tl a s e rp u l s e t e c h n o l o g y e r n p h a t i c a l l y i n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l e s ，m a k e u pa n dl a t e s t p r o g r e s so fc p at e c h n o l o g y 2 s t u d i e dt h et h e o r e t i c a lb a s i so fm e a s u r i n gt h eb e a mq u a l i t yf a c t o r b yb e g i n n i n gw i t ht h e 胛m a t t e ro fl a s e r b e a m s e tu pt h ea l g o r i t h m i cm o d l e o ff i t t i n gt h eg a u s s i a nb e a mb ym e a n so f s e c o n dr a n kq u a d r a t u r ea n d n o n i n e a rl e a s ts q u a r em e t h o d a n dd e s i g n e dt h em a j o rp a r t so fs o f t w a r e i nt h eb e a mq u a l i t yd i a g n o s i ss y s t e mw h i c hs e r v e so u rc p as y s t e m 3 am e t h o dw h i c hu s e sh a s i cf o u r i e rt r a n s f o r ma n dl a s e rm u l t i m o d e t h e o r i e s ， a n d b y m e a n so fn u m e r i c a l i n t e g r a t i o n w i t h r e a s o n a b l y m a t h e m a t i c a la p p r o x i m a t i o n ，t o d e s i g nt h es i z eo ft h ep i n h o l ei n t h e s p a t i a lf i l t e ro fac p as y s t e mi s s t u d i e d i nc o n c l u s i o n t h eo p t i m a l d i a m e t e ro ft h ep i n h o l ei sa b o u t6 9 3t i m e st h ed i f f r a c t i o n1 i m i tl e n g t h t h i sr e s u l tisw e l lv e r i f i e db ye x p e r i m e n t i na d d i t i o n ，af a c t o rc a l l e d 。b ”t oh e l pd e s c r i b et h eq u a l i t yo ft h ep i n h o l e l e n ss p a t i a lf i l t e ri s in t r o d u c e d 4 - d i s c u s s e dt h em e t h o d so fm e a s u r i n gt h ew i d t ho fu l t r a - s h o r tl a s e r p u l s e i n t r o d u c e dt h em e a s u r i n gp r i n c i p l e so fc o r r e l a t i o nm e t h o d ，a n a l y z e dt h em e r i t sa n d d r a w b a c k so fs e v e r a lq u a d r a t i cc o r r e l a t i o n t e c h n i q u e s k e y w o r d ：a m p l i f i c a t i o ns y s t e mo ff e m t o s e c o n d 1 a s e r ，c h i r p e dd u l s e l a s e ra a p l j f i c a t i o n ，b e a mq u a l n y ，m 2f a c t o r ，g a u s s i a nb e a m s e c o n dr a n kq u a d r a t u r e ，1 e a s t s q u a r em e t h o d ，c u r v ef i t t i n g ， s p a t i a lf i i t e r i n g ，f o u r i e rt r a n s f o r m ，d i f f r a c t i o n li m i t l e n g t h ， a u t o c o r r e l a t i o f t m e a s u r i n gm e t h o d ，c o r r e l a t i r e f u a n c t i o n 睦鱼硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 撕啄歇梗锈物蝴 主席 偷疹棒剜研陬钴嘶懈 j 融领茼雾磺师铱嘶蛹 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已 经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：殖4 垒日期： 学位论文授权使用声明 a - o o 选- ，s 3 口 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 日期： 3 0 爱 ，s o 学位论文作者签名：萌穆 日期：竺：z 宰争 导师签名：丁良恩， 第一章引言 第一章引言 1 1 超短激光脉冲技术 1 9 6 0 年，世界上第一台红宝石激光器的问世标志着激光的诞生，其脉冲宽 度约为1 0 。s ，一年后通过采用调q 技术，脉宽便降到了1 0 s ，此后激光脉冲宽 度几乎每年都有近乎数量级的减少。由于激光作为一种新型的光源具有以前光源 所不具有的一系列优点，如单色性好，相干性好，高亮度，高时间分辨率等，从 此人们对自然界和物质结构的探索又多了一种强有力的工具。自1 9 6 4 年h e n e 激光器上首次实现锁模脉冲以来，超短激光脉冲领域的研究已成为激光学科的重 要发展方向，由于其在相关领域的科研需要，在其后几十年里，伴随激光增益介 质和锁模技术的不断革新以及相关测量技术的不断改进，超短激光脉冲技术当前 已经成为激光技术的众多领域中最为活跃、最富有创造性的一个分枝。超短激光 脉冲技术通常是指与皮秒( 1 0 1 2 s ) 或飞秒( 1 0 。1 5 s ) 级脉宽激光脉冲的产生、放 大与测量等相关的技术。1 9 7 8 年美国光学学会举行了首届皮秒现象研讨会，标 志着一个新的科学领域超快现象科学的诞生0 1 。在这个大背景下，超短激光 脉冲技术迅速发展起来，1 9 8 1 年f o r k 等人“1 利用碰撞锁模( c o l l i d i n gp u l s e m o d e 一1 0 c k i n g ，简称c p m ) 技术从染料激光器中首次获得了飞秒激光脉冲，从而 标志超短激光脉冲技术进入了飞秒脉冲时代。飞秒脉冲的持续时间非常短，只有 几个飞秒，也就是1 1 0 0 0 万亿秒，它比利用电子学方法所获得的最短脉冲要短 几千倍，这是飞秒激光的第一个特点。飞秒激光的第二个特点是具有非常高的瞬 时功率，可达到百万亿瓦，比目前全世界发电总功率还要多出百倍。飞秒激光的 第三个特点是，它能聚焦到比头发的直径还要小的空间区域，使电磁场的强度比 原子核对其周围电子的作用力还要高数倍。在近十几年内，以宽带可调谐钛宝石 作为增益介质的固体飞秒激光器已成为这一领域最成熟、最实用，应用最广泛的 一种新工具。 随着超短激光脉冲技术的不断发展，越来越多的研究工作都需要它作为重要 的研究工具和手段。由于超短激光脉冲提供了除极短时间之外的更多信息，使人 们对物质瞬变过程的认识达到了一个新的高度，借助于超短激光脉冲实现的高时 问分辨率及其极宽的光谱分布范围，人们可以将其应用于物理、化学、生物、医 学、超精细加工以及超高密度信息存储与记录等领域的研究。我们知道，物质由 原子或分子组成，而原子包括原子核及绕核高速旋转的电子，这是物质结构的一 个基本特征。长久以来随着高分辨率技术的不断发展，人们对物质结构的认识越 来越清楚，但是构成物质的微观粒子的高速运动过程即超快过程，在很长时间内 第一章弓i 言 人类一直没有有效的手段进行研究和认识。直到飞秒激光脉冲出现以后，这一状 况才发生了变化。就像借助于高分辨率显微镜观察原子、分子结构一样，飞秒激 光技术使人们能够捕捉到原子、电子层面上的超快运动过程。诸如研究材料的电 荷转移快速过程、血红蛋白化合物的超快过程测量、叶绿素光合作用、医学成像、 d n a 的选择性生化反应、飞秒外科手术、荧光物质的超快光动力学过程等等。 另外，脉冲时间的压缩使能量也同时被浓缩，通过超短激光脉冲放大技术获 得的具有大能量、高峰值功率的超快超强光脉冲可以给强场物理学的发展提供许 多可实现性研究条件。比如重元素在强场下的快速电离、x 射线波段的高次谐波、 新型粒子加速器、高能x 射线源、实验室天体物理学、快速点火惯性约束核聚变、 x 射线激光，强场下的团簇光物理等。经过放大的飞秒激光脉冲被聚焦后，获得 的光功率密度已经超过了原子核对其周围电子的作用力。利用目前i 0 “w c m 2 的 可聚焦强度实现的1 0 “v m 的电场强度、i 0 ”j c m 2 的能量密度、1 0 9 高斯的超强磁 场、1 0 2 1 倍重力加速度、1 0 “b a r 的光压以及具有相对论效应的电子振荡能量的这 些条件给予了物理学前所未有的发展机遇。在飞秒强激光所创造的这种极端物理 条件下，人们观察到了许多奇特的现象如气态、液态、固体物质瞬息间变为等离 子体，这种等离子体辐射出短至软x 射线等各种频率的激光可以在几十米内将电 子束加速至目前世界上最大的加速器所能达到的能量【 超短激光脉冲的发展大致经历了以下几个过程：调0 激光器阶段、锁模激光 技术阶段和啁啾脉冲放大( c p a ) 阶段。1 9 6 1 年的调q 激光器使激光脉冲宽度缩短 为1o _ 8 秒，它的脉宽比1 9 6 0 年研制的第一台红宝石激光器缩短了1 0 5 个数量级。 6 0 年代的中后期是各种锁模理论的建立和锁模方法的实验探索时期。超短激光 脉冲技术之所以能够获得如此迅速的发展，其中一个重要原因就是锁模激光脉冲 技术的不断发展和完善。1 9 6 4 年第一篇描述激光腔内纵模耦合理论的文章发表 后不久，人们便首次在h e n e 激光器上实现了锁模并产生了纳秒量级的激光脉冲 ”。随后，人们又成功将锁模技术运用于红宝石、钕玻璃等具有固定波长的固体 激光器上，实现了被动锁模皮秒量级激光脉冲输出。进入7 0 年代，各种锁模理 论和方法( 如主动锁模、被动锁模、同步泵浦锁模、附加脉冲锁模等) 趋于成熟， 皮秒( p s ) 脉冲被初步应用于物理和化学领域。7 0 年代中期，i p p e n 等人采用腔 外光栅对压缩，用染料激光器第一次获得了飞秒激光脉冲输出。3 ，标志着飞秒激 光时代的到来。8 0 年代初，新型锁模技术碰撞脉冲锁模技术诞生。1 9 8 1 年， f o r k 等人首次实现碰撞锁模，获得了9 0 飞秒的激光脉冲输出。此后，以碰撞锁 模染料激光器为代表的飞秒量级激光脉冲技术取得长足的发展。19 8 5 年，天津 大学王清月小组用a r + 激光器泵浦c p m 激光器获得了3 0 多飞秒的激光脉冲嘲：同 第一章引言 年，v a l d m a n i s 等人产生了短至2 7 飞秒的激光脉冲”3 ；1 9 8 7 年美国贝尔实验室 研究人员利用腔外压缩技术产生了6 飞秒的激光脉冲”1 。9 0 年代，飞秒激光介质 有了新的突破，以参钛蓝宝石固体”1 为代表，替代了染料激光器，在室温下工作， 波长可调谐。钛宝石具有比染料更宽的增益谱、更高的饱和通量和更稳定的光学 性质，从而为超短激光脉冲的发展揭开了新篇章。 钛宝石晶体( t i ”：a 1 。0 。) 是掺了三价钛离子的氧化铝单晶。由于钛离子取代 了铝离子而对周围晶格造成反冲，使声子之间的耦合作用非常强烈，从而导致其 祭台能级分布十分宽广，因而钛离子的吸收跃迁谱带及荧光跃迁谱带都较宽，这 为钛宝石激光器的可调谐运转与锁模提供了基础。基于这些优点，人们发现了另 一种新的锁模方式克尔透镜自锁模。即利用增益介质中的自聚焦效应形成的 克尔透镜和腔内光阑构成对光脉冲的非线性幅度调制，使脉冲边缘和脉冲峰值处 腔的损耗不同，其作用等效于一个高速损耗调制元件或者可饱和吸收体，从而形 成自锁模运转。这种锁模方式具有与波长无关、超快速响应( 2 f s ) 和无附加色 散等优点。以上这些新的特点促使钛宝石飞秒激光器得到了迅速发展。1 9 9 0 年， d e s p e n c e 。1 首次利用钛宝石折叠腔获得了6 0 f s 的光脉冲。c p h u a n g 分别用 l a f 2 8 和l a k l 2 1 玻璃制成的棱镜对补偿色散，先后使自锁模钛宝石激光器输出 3 2 f s “3 和1 7 f s “”的脉冲。k r a u s z 利用中4 m m 的钛宝石棒及一对石英棱镜获得了 1 3 f s 的脉冲“。同年m a w a t t s 和a s a k i “2 1 分别运用自锁模钛宝石激光器在 7 8 0 n m 得到了1 1 f s 和1 0 9 f s 的脉冲。1 9 9 4 年j z h o u “”和i p c h r i s t o v “”分别 用棱镜对补偿色散获得了脉宽小于l o f s 的脉冲。1 9 9 5 年a s t i n g “”采用啁啾镜 也获得了l o f s 以下的脉冲。1 9 9 6 年我国访问学者许林在维也纳技术大学利用啁 啾镜产生了7 5 f s 的脉冲输出”“。1 9 9 7 年，u k e l l e r 等人采用棱镜对加啁啾镜 技术实现了6 5 f s 的光脉冲输出“”。1 9 9 9 年，我国高级访问学者程昭等人在维 也纳技术大学也获得了当时4 5 f s 的世界记录“。 人们在追求脉宽不断窄化的同时，也在一直努力提高激光脉冲的能量( 或功 率) 。以上所述都是直接从振荡器输出、能量在纳焦( n j ) 量级、功率小于兆瓦 的超短脉冲，这作为某些时间超快激光光谱的研究已经足够了，但要用于超快强 场物理、激光等离子体相互作用、多光子电离等研究领域，这一峰值功率还相差 甚远。因此，超短脉冲的放大很快成为激光领域的重要研究方向。较早从事超短 激光脉冲放大研究的e p i p p e n 等人用c p m 染料激光器输出的脉冲序列作为种 子光，后续三级调q 倍频n d ：y a g 泵浦的染料激光放大器放大，获得了】i 】j 量级的 脉冲输出。随后又有人做过类似的工作，输出能量仍在m j 量级。由于增益介质 在脉冲强度足够高时会产生增益饱和现象，使得从放大介质中抽取更多的能量时 第一章引言 变得效率很低甚至无效，其次由于高峰值功率的激光脉冲在通过增益介质时会表 现出非线性效应和损伤介质的行为，这都使获得更高峰值功率的超短超强激光脉 冲变得非常困难。啁啾脉冲放大技术( c p a ，即c h i r p e dp u l s ea m p l i f i c a t i o n ) 。”。“提出以后，超短脉冲的放大才取得实质性进展。在不同系统中利用c p a 技术， 都取得了超强功率的超短激光脉冲输出 s 2 2 6 j 。 啁啾脉冲放大技术的基本原理是这样的：使从宽频带超短脉冲振荡器出来的 飞秒激光脉冲首先通过一个色散延迟元件( 展宽器) ，使之在时域上展宽1 0 3 1 0 5 倍甚至更高，成为几百皮秒或纳秒级的长脉冲，以至于放大过程中脉冲强度低于 激光介质的破坏域值。经过多级放大( 预放大和功率放大) 充分提取增益介质中 的储能后，让能量提高了的激光脉冲再通过一个共厄色散补偿光学元件( 脉宽压 缩器) ，将长脉冲压缩至接近其初始的脉宽值。这样就可以同时得到大能量和高 峰值功率的飞秒激光脉冲。放大原理如图1 1 所示。 一- c p a 系统的结构简图如图1 2 所示。下面对c p a 系统的各主要单元作简单介 绍。 j 泵浦源l 埘芦 泵浦源2 第一章引言 图i 2c p a 系统结构 f i g 1 2 s t r u c t u r eo fc p as y s t e m 一、飞秒脉冲激光振荡器 用于产生种子光的常用飞秒脉冲激光振荡器是一台由压氩离子或半导体激 光器泵浦的自锁模钛宝石激光器。自锁模的物理机理是自聚焦效应，即在足够高 的泵浦强度下，泵浦光与介质相互作用导致自聚焦效应，造成晶体内某一区域的 功率密度高于可饱和强度，介质呈可饱和吸收的特性。来自外界的扰动引起振荡， 当脉冲通过饱和状态的增益介质时，前后沿被削减，峰值部分得到增强，这样前 后沿遭到抑制，峰值部分越来越强，直到最后输出个极窄、超短的脉冲。 二、脉冲展宽器 脉冲展宽器对超短激光脉冲起到色散延迟的作用。目前展宽器普遍采用 m a r t i n e z 型光栅一望远镜结构。2 “，该结构的展宽光栅对于压缩光栅对提供的 色散完全匹配，展宽倍数可达1 0 ”1 0 5 。 三、再生放大器 再生放大器可以让待放大的种子光多次通过增益介质，充分提取介质中的储 能，它尤其适合于放大弱光信号而获得高增益( 可达1 0 5 以上) ，是常用的前置 激光放大器。其特点是输出光束质量高，而缺点是结构比较复杂、信噪比较低， 并且会由泄漏种子脉冲的现象发生。 再生放大器是由两个端镜构成的谐振腔以及腔内的激光头、偏振器和两个普 克尔盒构成。采用单脉冲选择系统，从锁模脉冲序列中选出一个单脉冲后注入到 再生放大器中进行放大。再生放大器的工作原理如下：垂直偏振的种子光( n j 量级) 由偏振器反射导入再生腔中，其中一个普克尔盒p c i 上加四分之一波电压， 脉冲两次通过后变成水平偏振。然后退去p c i 上的电压，种子脉冲就被关在再生 腔内，多次通过增益介质得到放大。单脉冲经再生放大器充分放大后需要导出腔 外时，则在另一个谱克尔盒p c 2 上加四分之一波电压，脉冲两次通过p c 2 后再次 变成垂直偏振，由偏振器导出腔外。 四、多通功率放大系统 为进一步提高脉冲能量，还需要对脉冲进行多通放大。采用非共线多通放大 构型可以有效避免再生放大器的谐振腔构型引起的泄漏种子脉冲的现象，从而提 第一章引言 高脉冲的信噪比。激光脉冲在功率放大器中的放大程数应由所要求的脉冲能量及 放大介质的损伤阂值决定，为了提高增益和避免介质的损伤，可以采用双面泵清 的方式。 n 、压缩器 脉冲在经过了足够的放大后即需要进入压缩器恢复到初始的脉宽，压缩器一 般由两个平行放置的光栅对构成。压缩器的原理和展宽器相同，不同的是展宽 器提供正色散而压缩器提供负色散。如果展宽器和压缩器之间没有其它引起色散 的元件，则光束在压缩器光栅上的入射角等于它在展宽器上的入射角，且展宽器 和压缩器的有效色散长度相等，从理论上可以完全补偿色散而使脉冲恢复至初始 脉宽。实际上，脉冲在展宽器和压缩器之间经过了许多光学元件，其中有一些会 给脉冲附加上非线性相位，如放大介质中的自相位调制引入的附加相位o ”等。 1 2 超快激光的光束测量和整形技术 飞秒激光技术的发展，不仅取决于激光技术本身的积累性发展，同时还得益 于测量技术的改进和光束整形技术的进步。这是由于对基础研究而言，我们必须 精确知道脉冲在产生、传输和变换过程中的特性，才能揭示飞秒激光器的物理机 制，建立起合理的理论模型；然后采用适当的啁啾补偿方法，获得更短的光脉冲。 对于应用研究，为了适应各种研究目的，需要不同特性的光脉冲。因此我们必须 了解所用光脉冲的质量，以及特定的光束整形手段。综上所述，无论从飞秒激光 技术本身的发展还是从应用的角度来看，对光束测量技术和光束整形技术的研究 都是非常重要的。 1 2 1 超快激光光束质量因子的测量技术 激光光束质量是描述激光特性的一个重要的技术指标，它直接影响到激光 器的应用领域。如何定量评价激光光束质量是长期以来一直困扰光学界的问题。 评价光束质量的方法曾采用远场发散角、亮度或可聚焦功率密度、空间相干性或 相干度、斯特列尔比( s t r e h l ) 等方法，这些方法各有优缺点，国际上曾经未能 形成统一的评价激光光束质量的标准。1 9 8 8 年，aes i e g m a n 教授提出用一个 无量纲的量m 2 因子来表示光束质量，在2 0 世纪9 0 年代初，经s i e g m a n 教授系 统化的彬因子理论被国际上认为是描述激光光束质量的一个较为完整的理论， m 2 因子被称为光束质量因子，并由国际标准组织( i s o ) 于1 9 9 5 年定为 i s o d i s l11 4 6 国际标准文件。彬同时包含了光束远场和近场特性，丽且光束在 第一章引言 无像差光学系统中传输时m 2 是不变的，因此它能够综合地描述光束质量及光束 传输质量。 因为远场发散角可由将光束通过一理想聚焦光学系统后在焦面上焦斑宽度 w ，的测量得出，所以m 2 因子的测量实质上归结为束宽的测量。按i s o 标准，束 宽可用狭缝扫描、移动刀口、可变光阑和c c d 相机等方法测量，而m 2 因子则由 测三处束宽( 三点法) 、两处束宽( 其中之一为光腰，两点法) 或多点束宽测量( 双曲 线拟合法) 得出。束宽有“光强i e 2 ”，“8 6 5 环围能量”和“二阶矩”等不同定 义。通过理论分析可以知道，对于理想基模高斯光束，以上三种束宽的定义是一 致的，但对高阶高斯光束则不然；另外，以光强i e 2 定义的束宽和以8 6 5 环围 能量定义的束宽在光束传输过程中不满足a b c d 定律。s i e g m a n 基于空间频谱分 析，证明了对于光束横截面上任意分布的实际光束，当用光束强度分布的二阶矩 表示束宽时，a b c d 定律成立，是较为严格和自洽的理论。 在国内，己研制出用于连续工作( c w ) h e n e 和a t + 激光以及准连续工作化学 激光的光束质量诊断系统。但对于既能作c w 又能作脉冲工作激光光束质量测量 系统则有一些关键技术需要解决。二维c c d 相机结合微机数据处理系统可对连 续、单次脉冲发射或低重复率激光瞬态测量和记录光强分布，能方便地进行阶 矩定光束“重心”、二阶矩定束宽的计算，本文将对其中的数学算法和关键技术 作深入的研究和讨论。 1 2 2 超快激光脉冲宽度的测量技术 2 0 世纪8 0 年代中期，超短激光脉冲技术从皮秒进入飞秒阶段，使当时通用 的双光子荧光法、条纹相机等测量技术已经无法适用，仅有自相关法延用至今。 用目前普遍使用的自相关法和光谱仪，已经可以获得脉冲的宽度，以及若干位相 调制或啁啾的信息”。”。然而，自相关法并不够精确，它需要以假设脉冲的形状 为前提条件；虽然后来人们也提出过一些直接测量脉冲宽度和相位的方法o ” ，但是由于方法的复杂性和不能适用于单次测量而未获得推广。到了2 0 世纪 9 0 年代中期，飞秒激光技术已经发展到这样的阶段，即：脉冲宽度窄到l o f s 以 下；f s 脉冲的放大、频率转换和脉冲整形技术目渐成熟；特别是飞秒脉冲在许 多领域中正逐渐得到应用。因此，研究能够直接精确测量飞秒脉冲特性的方法成 为了飞秒激光技术基础和应用研究的需要。到了2 0 世纪9 0 年代中后期2 种用于 评价f s 脉冲的宽度和相位特性的新型测量技术应运而生，它们是频率分辨光学 丌关法( f r o g ) 。“。“和光谱位相相干电场重构法( s p i d e r ) 。”。”。由于这两种方法相 对简单和实用，目前已经逐渐成为了评价f s 脉冲的标准方法“，但是干涉自 相关法由于测量简便、廉价、时间分辨率高等优点而成为使用最多的飞秒脉宽测 第一章引言 量方法。 1 2 3 超快激光光束整形技术 光束整形是将某一输入平面上光束的复振幅分布经光学系统变换为输出平 面上符合要求的复振幅分布，通过光束整形，可以将非高斯光束变为高斯光束， 也可以将高斯光束变成平顶光束甚至超高斯光束。光束整形的对象有高功率激光 脉冲或连续激光、半导体激光束等。超快激光光束整形技术按整形元件的不同可 细分为这样几类：空间滤波器整形、锯齿光阑截趾整形、二元光学元件( b o e ) 整 形、液晶光阀整形和自适应光学系统整形。 空间滤波器整形是改善光束质量的一种最简便、最常用的整形技术。我们知 道，超短脉冲激光系统的主要传输限制是小尺寸自聚焦”1 ，自聚焦的产生是由介 电材料的折射率引起的，在超净实验室中，质量好的光学元件由于传输过程中衍 射环的存在也将产生自聚焦，造成激光装置中光学元件的损坏和不能有效输出激 光能量1 。为了抑制小尺寸自聚焦，在现代大型铷玻璃激光系统种运用空间滤波 器抑制增长最快的空间频率。空间滤波器的作用是在其傅里叶变换面上，即两个 透镜之间的公共焦点处，用滤波小孔滤除入射光束中的高频分量，以减小输出激 光光强分布的小尺度调制。滤波小孔太小会引起强烈的衍射效应，而滤波小孔太 大就起不到滤波整形的作用，从而使高空间频率的成分容易发生自聚焦效应，因 此，滤波小孔的合理选取在高功率激光放大系统设计中是至关重要的。除此之外， 空间滤波器的长度和输入透镜的设计也是重要的工作”“。本文将对空间滤波器中 小孔尺寸的设计作较为深入的研究。 在高功率激光器中，为了充分利用增益介质储能，激光光束要求有较高的填 充因子，同时还要能抑制光束菲涅耳衍射调制及小尺度自聚焦，以免高峰值光强 调制损坏激光器。，r e 。高斯光束能避免衍射影响，但填充因子很小；方波光束填 充因子为1 ，但其菲涅耳衍射造成的光强调制会引起高功率激光器的损坏。因此， 在高能激光器中激光光束需要经过整形为填充因子较高、菲涅耳衍射调制较小的 超高斯分布光束“。为了得至情! 高斯光束，高功率激光器的激光光束必须通过截 趾系统进行整形幽1 。锯齿光阑截趾法是近年来较为常用的整形方法。它是由一个 锯齿光阑加一个空间滤波器产生截趾的，如图1 3 所示。激光光束通过锯齿光阑a 时，光束边缘沿x 方向上复振幅产生周期变化，周期为l 。在y 方向上，光束边缘的 复振幅分布随锯齿光阑的齿形变化。当y 值为一定时，光束边缘的复振幅分布 u ( x ，y ) 就是一个周期为l 的方波，这时u ( x ，y ) 可分解成一系列正弦波的和。要消 除u ( x ，y ) 中x 方向上的这些正弦成分，就要求针孔函数的傅里叶逆变换h ( x ，y ) 的x 8 第一章引言 方向上的主波瓣的宽度l 至少大于u ( x ，y ) 的一个周期l 。当通过满足上述条件的锯 齿光阑和空间滤波器之后，激光光束原本是陡直的边缘光强分布，就会变成较和 缓的边缘光强分布，这时光束边缘光强分布由齿形决定，得到的超高斯分布光束 的边缘形状同锯齿光阑锯齿之间的形状是相同的。 y 。 瓜l 矿q歹 x 杉 一s p a t i a l n f i l t e r 杉 杉 ， b s e n a t e d 即c n i ”。 h l p u tr e l a yp l m l 。 b e a ma to i 却u t r e l a yp l a n e 图1 3 锯齿光阑系统截趾过程 f i g 1 3o p e r a t i o n o f as e r r a t e d 2 a p p e r t u r ea p o d i z e rs y s t e m o b s e l l v a t i o n p l a n e 第三种方法是使用二元光学元件对光束进行整形，以改善此光源一些不良特 性。二元光学元件是一种位相衍射元件，位相衍射元件和傅里叶变换透镜可以组 成傅里叶变换系统，位相衍射元件置于输入面上，通过它来改变输入光波的位相， 在其傅里叶频谱面上得到所要求的光强分布。b o e 元件的设计方法是这样的：可 以用c c d 相机直接拍摄实际光强分布，然后转化为计算机能够处理的数据格式， 根据已知输入和输出平面上的光强分布，通过迭代算法计算出输入平面上光波场 的位相分布，并将其量化，转换成制作位相元件时其表面浮雕的厚度分布。针对 不同的整形目的，比如要求在指定位置的输出平面上得到均匀的圆形光斑，或者 高斯光斑，都能用计算机完成相应的b o e 设计和优化过程。采用这种方法虽然对 计算处理能力提出了更高的要求，但是它具有广泛的适应能力，不但能对光强分 布满足简单函数关系的光源整形，而且能对光强分布复杂的光源，如表面有缺陷 的光源整形。经过计算机优化设计确定了将要制备的b o e 的位相分布后，就可以 采用大规模集成电路( v l s l ) 的制作技术光致刻蚀法来制各衍射光学元件。复 杂光源可用二元光学方法进行光束修正。纵上所述，用c c d 相机对光源精确取样， 用迭代方法设计优化以及用光致或离子刻蚀方法制备衍射光学元件，是具有普遍 意义的t “。 第四种方法是采用液晶空间光调制器( l c s l m ) 对激光束进行实时、可调控的 空间整形，即根据液晶空间光调制器的光学调制特性，实时产生与入射光束相关 第一章引言 的软边切趾光阑，结合空间滤波，获得所需形状的近“平顶”光强分布的近场光 束“。液晶空间光调制器主要是通过液晶分子的旋光偏振性和双折射性来实现对 入射光束的波面振幅和相位的调制。实验中使用的基于液晶电视的激光光束空间 整形系统是以电写入液晶空间光调制器为核心，结合滤波、c c d 采集、监视器及 计算机组成的实时、可调控的激光光束空间整形系统，它可以对连续和脉冲激光 进行整形。 第五种方法是采用自适应光学系统对波前整形，其基本原理是将有波前畸变 的光束用物镜聚焦到可变形反射镜( 变形镜) 上，从变形镜反射的光经分光镜后 分别进入光电检测装置和h a r t m a n n 波前探测器，而从h a r t m a n n 波前探测器获得 的信号用来与特定波前函数相比较，从而获得特定的控制信号来驱动变形镜控制 器以改变变形镜的角度。自应光学系统的结构如图1 4 所示。 乎筒渡褪 炎气抗翡 ，镇拣藕 姆镳 姆怒撑厦雉姥 图1 4 自适应光学系统结构 f i g 1 4s t r u c t u r eo fs e l f a d a p t i o no p t i c a l s y s t e m 如图所示，自适应光学整形系统依靠哈特曼波前传感器光电转换模块与p c 组成的系统对激光束的波前曲面进行自反馈式的自动操控。 1 3 本论文的研究目的和意义 前面对c p a 的基本原理和技术以及相关的测量、整形技术作了简单的介绍， 本论文就是在这样的研究背景下展开的，核心目的就是提高c p a 系统中多通放大 结构的输出光束质量和放大效率。 第一章引言 激光技术的广泛应用，尤其是强场物理研究的深入开展，使人们对反映激光 光束空间特性的光束质量要求越来越高。在飞秒强激光与等离子体相互作用过程 中，许多非线性现象要求具有i 0 ”w c m 2 的光强，但是在大型飞秒激光器工程中， 如果单纯地提高输出峰值功率和光强而不能改善由此带来的输出激光传输质量 下降的问题，则这样的激光是没有实际应用价值的，而且光束质量不断变差的激 光对于后面的功率放大和压缩会带来难以克服的障碍。由于许多实验研究对焦斑 尺寸和亮度均匀性亦有较高要求，改善光束质量能够缩小聚焦光斑，提高焦斑亮 度和均匀性，改善光束传输特性，因此是提高激光系统输出性能的很实用的技术 手段。要改善激光柬的质量，首先要对该光束进行探测和分析，以了解它的原有 传输特性。为此，首先需要设计并制造一套在使用上简便可行的光束质量探测系 统，同时要保证较高的测量精度、较低的制造成本和较全面的软件功能界面。在 实现光束质量的探测分析之后，就要设法改善光束的质量，即提高光束衍射倍率 因子。为此，需要设计和制造适用于本实验室的特定c p a 系统的空间滤波器，以 使通过空间滤波器的光束质量得到较为明显的提高。空间滤波器是提高激光光束 质量的重要器件，通过合理设计空间滤波器的各项参数，可以有效改善飞秒钛宝 石c p a 系统中y a g 泵浦光的模式和质量，为后面的多通放大级提供高质量的泵浦 源，从而可以很大地提高多通放大级的放大效率和整个系统输出光束的质量。此 外，通过对二次相关测量技术的理论研究，可以更好地理解自相关仪测量超短激 光脉冲宽度的机理和本质。 第二章c p a 系统中光束质量因子的测量 第二章c p a 系统中光束质量因子的测量 本章通过二阶矩理论和非线性最小二乘法对高斯光束传输线形进行多点拟 合来测量实际的光束质量因子，并设计了用于本实验室c p a 系统的光束质量诊断 仪的系统结构和主要软件模块。从理论上说，用这种方法测量高斯光束质量因子 是正确的，基于这种方法所开发的光束质量诊断系统也是可靠实用的。 2 1 测量m 2 问题的引入和关于m 2 的讨论 随着强场激光技术的广泛应用，人们对反映激光光束空间特性的光束质量要 求越来越高。在飞秒强激光与等离子体相互作用过程中许多非线性现蒙要求具有 1 0 1 8 w c m 2 的光强，许多实验研究对焦斑尺寸和亮度均匀性亦有较高要求。改善光 束质量能够缩小聚焦光斑，提高焦斑亮度和均匀性，改善光束传输特性，因此是 提高激光系统输出性能的很实用的技术手段。然而传输过程中的诸多因素都会恶 化光束质量。作为衡量光束可用性的标准，近年来广泛谈论的m 2 因子被普遍接 受。该定义的本质是通过实际光束与理想基横模高斯光束的空间特性作对比而提 出来的，用以标记实际光束偏离理想情况的程度。 目前光束质量评价的主要依据是1 9 9 5 年的i s o d i s l l l 4 6 国际标准文件。该 文件规定了束宽、发散角、光束传输因子k 2 和衍射倍率因子m 2 的定义及其测定 方法。m 2 同时包含了光束远场和近场特性，而且光束在无像差光学系统中传输时 的m 2 是不变的，因此它能够综合地描述光束质量及光束传输质量。对于理想基 模高斯光束来说，m 2 等于1 ，此时光束传输质量最好，而任何实际光束m 2 均大于 l 。 m 2 = ( 实际光束束腰宽度x 远场发散角) ( 基模高斯光束束腰宽度远场发散 角) “5 1 a e s i e g m a n 用基于实际光束的功率密度分布函数的二阶矩表示的柬腰宽度 来定义光束质量因子m 2 。严格而言，对任意光束来说，仅有用二阶矩定义的束腰 宽度才能满足光束的传输定律。因此光束质量因子m 2 和光束传辕理论实际上是 建立在空间域和空间频率域中光束宽度的二阶矩定义基础上的。在数学上总是可 将实际光束看作由多个模式的高斯光束的混合，m 2 因子的引入简化了这种处理。 虽然m 2 因子的数学模型已不再符合波动方程，但是q 参量的引入在采用二阶矩束 宽定义( d = 4o ) 的条件下却使该模型可直接适用于a b c d 定理1 。然而，问题并没 有这么简单。例如，在不同的应用要求下用何种光束作为比较标准为好? 实际工 t 2 第二章c p a 系统中光束质量因子的测量 作中出现较大测量误差，甚至m 2 1 如何认识和解决”? 偏振对光束质量影响， m 2 因子的时变规律等在s i e g m a n 的理论中都未详加讨论。比如对于“超高斯光 束”( s u p e rg a u s s j a nb e a m ) m 2 就不适用”“。1 9 8 3 年p a b e l a n g e r 等研究了高 斯光束在非线性介质中的自聚焦效应”