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宽带低相干光三倍频研究进展

激光与光电子学进展 2024年

作者：周少锋赵晓晖刘栋季来林饶大幸冯伟贺瑞敬尹立龙思琪高妍琦中国工程物理研究院上海激光等离子体研究所

宽带低相干光有望克服惯性约束聚变中的激光与等离子体相互作用不稳定性问题，但高效的宽带低相干光三倍频是其走向工程应用的技术瓶颈之一。目前，对于宽带低相干光三倍频过程的研究较少，基于已有认识，本文介绍了宽带低相干光的特性... 详细信息

宽带低相干光有望克服惯性约束聚变中的激光与等离子体相互作用不稳定性问题，但高效的宽带低相干光三倍频是其走向工程应用的技术瓶颈之一。目前，对于宽带低相干光三倍频过程的研究较少，基于已有认识，本文介绍了宽带低相干光的特性及其频率转换过程中的倍频与和频模型。我们指出了宽带低相干光难以高效三倍频的根本原因并综述了各种宽带三倍频方案的发展历史、原理和局限性。为对低相干光频率转换实验提供一定参考，对比了常用的非线性频率转换晶体的接受线宽和非线性系数。最后我们为高效宽带低相干三倍频可能的突破方向提出了一些建议。

关键词：三倍频宽带低相干光频率转换惯性约束聚变

基于Yb:YGG晶体的桌面级20TW光学方案模拟

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光学学报 2024年

作者：刘金升管相合季来林王韬张发旺刘佳隋展崔勇赵晓晖高妍琦中国工程物理研究院上海激光等离子体研究所

桌面级重频高能皮秒激光器可用于产生X光等辐射源，更便捷高效地研究等离子体中的超快动力学过程以及高能量密度物理等现象。本文提出利用Yb:YGG晶体作为放大介质，采用空间位移—角度编码方式的多程复用放大器，室温条件下可实现亚皮... 详细信息

桌面级重频高能皮秒激光器可用于产生X光等辐射源，更便捷高效地研究等离子体中的超快动力学过程以及高能量密度物理等现象。本文提出利用Yb:YGG晶体作为放大介质，采用空间位移—角度编码方式的多程复用放大器，室温条件下可实现亚皮秒量级、峰值功率～20 TW的红外激光输出，本方案可为数十TW皮秒高能激光器提供了新的路径参考。

关键词：固体激光器啁啾脉冲放大二极管泵浦高能激光重频皮秒激光

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基于绝热通道方式的宽带三倍频研究

光学学报 2024年

作者：尹立季来林刘栋贺瑞敬张天雄冯伟单翀赵晓晖崔勇高妍琦隋展中国工程物理研究院上海激光等离子体研究所

高功率宽带紫外激光可用于抑制激光等离子体相互作用过程中的不稳定性。现役激光装置一般通过非线性频率转换方式产生高功率紫外激光，但基于双折射相位匹配或准相位匹配方式的非线性频率转换只能在效率和带宽之间进行取舍。本文提出基... 详细信息

高功率宽带紫外激光可用于抑制激光等离子体相互作用过程中的不稳定性。现役激光装置一般通过非线性频率转换方式产生高功率紫外激光，但基于双折射相位匹配或准相位匹配方式的非线性频率转换只能在效率和带宽之间进行取舍。本文提出基于绝热通道方式的宽带三倍频方案，采用渐变折射率的非线性晶体，在室温下可同时满足高效频率转换和大接收带宽。理论与模拟表明，宽带529nm激光与窄带1053nm激光可高效地通过渐变折射率II类相位匹配KDP晶体和频，倍频光几乎完全转换成三倍频光，产生的三倍频带宽接近2nm(5THz)，转换效率对泵浦光强以及失谐角不敏感，具有极佳的鲁棒特性。

关键词：宽带激光三倍频相位匹配绝热通道

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基于空间分辨法分析时间低相干光自聚焦效应

物理学报 2024年第9期73卷 36-45页

作者：单翀孔令豹崔勇季来林赵晓晖李福建饶大幸赵元安隋展邵建达复旦大学信息科学与工程学院超精密光学制造工程技术研究中心上海201203 中国工程物理研究院上海激光等离子体研究所上海201800 中国科学院上海光学精密机械研究所强激光材料重点实验室上海201800

时间低相干光由于其瞬时宽带的物理特性,在激光惯性约束聚变中得到了广泛的关注.然而其复杂的时间尖峰结构或将诱导非线性自聚焦效应的放大.同时,传统的非线性自聚焦特征数值的测试方法中,多数材料的表面损伤先于体内自聚焦成丝损伤发生... 详细信息

时间低相干光由于其瞬时宽带的物理特性,在激光惯性约束聚变中得到了广泛的关注.然而其复杂的时间尖峰结构或将诱导非线性自聚焦效应的放大.同时,传统的非线性自聚焦特征数值的测试方法中,多数材料的表面损伤先于体内自聚焦成丝损伤发生,这为对比不同激光的非线性效应带来巨大影响.本文利用短焦距透镜对熔石英进行紧聚焦,通过调节入射激光能量,在避免前表面损伤的前提下,诱导熔石英产生自聚焦成丝损伤.随后通过理论计算对光束在样品体内传输过程的光斑变化进行空间分辨处理,并得到对应细分位置的非线性数值.最终将各个位置对应的非线性相位变化值进行积分,得到前表面无损条件下材料的非线性自聚焦特征数值.测试结果表明时间低相干光的非线性自聚焦效应比传统单模脉冲激光更强.本文不仅设计了一套更加精确的对比不同激光非线性效应的测试方法,同时也探明了时间相干性对于非线性自聚焦效应的影响机制,为高功率时间低相干激光器的设计提供理论依据和参考.

关键词：惯性约束核聚变时间低相干光非线性自聚焦特征数值空间分辨法

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焦耳级光参量啁啾脉冲放大系统的优化设计

中国激光 2011年第7期38卷 49-54页

作者：王翔峰戴亚平王韬季来林中国工程物理研究院上海激光等离子体研究所上海201800

使用I类非共线相位匹配结构,建立三维空间和时间的数值计算模型,优化设计了一个焦耳级光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)系统。该系统主要由两级三硼酸锂(LBO)预放大器和一级三硼酸钙氧钇(YCOB)功率放大器组成。通过将抽运光的时空波形整形成... 详细信息

使用I类非共线相位匹配结构,建立三维空间和时间的数值计算模型,优化设计了一个焦耳级光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)系统。该系统主要由两级三硼酸锂(LBO)预放大器和一级三硼酸钙氧钇(YCOB)功率放大器组成。通过将抽运光的时空波形整形成超高斯形状、使用走离补偿结构、仔细分析及选取各级参量放大器的长度等措施,保证了最后输出信号光的能量稳定性,同时还获得了较高的能量转换效率和好的光束质量。理论设计结果表明,该系统的各项参数均满足神光Ⅱ九路前端的技术指标要求,是一个具有可行性的设计方案。

关键词：非线性光学参量放大数值模拟稳定性

高功率激光终端KDP晶体非共线高效三倍频及远场色分离方案数值模拟分析

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物理学报 2016年第14期65卷 115-125页

作者：刘崇季来林朱宝强林尊琪中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理国家实验室上海201800 中国工程物理研究院上海激光等离子体研究所上海201800

为满足高功率激光装置对终端光学系统的改进要求,控制3ω光路透射元件厚度以降低激光损伤风险,避免3ω非对称聚焦与色分离元件对靶场调靶产生不利影响,本文利用非共线相位匹配原理讨论了KDP晶体Ⅰ类和Ⅱ类两种和频产生351 nm(3ω)激光... 详细信息

为满足高功率激光装置对终端光学系统的改进要求,控制3ω光路透射元件厚度以降低激光损伤风险,避免3ω非对称聚焦与色分离元件对靶场调靶产生不利影响,本文利用非共线相位匹配原理讨论了KDP晶体Ⅰ类和Ⅱ类两种和频产生351 nm(3ω)激光及其远场色分离过程.模拟结果表明,室温20?C环境中除目前常用的共线和频外,1053 nm(ω)与526.5 nm(2ω)激光可选择Ⅰ类或Ⅱ类两种非共线和频方式实现高效3ω激光输出并在激光远场实现色分离,且具有足够的高效转换失谐角容宽.计算表明,与Ⅰ类和频类似,Ⅱ类和频也存在一个非临界相位匹配过程,其匹配方向约为θ(3ω)=86.53?.可通过增加晶体厚度克服其有效非线性系数较低的缺点,实现3ω高效输出,失谐角容宽可达±20 mrad.为满足靶场需要,解决非共线角容宽苛刻带来的调节不便,并进一步使光路紧凑,将楔角为12?的熔石英楔板置于倍频晶体之后,ω与2ω激光在熔石英楔板后表面可产生约3.5 mrad分离角.经非共线和频,使用薄透镜即可实现聚焦及色分离.该方案完全满足终端光学系统的改进要求,可作为可靠的备选方案之一.

关键词：高功率激光装置激光损伤非共线和频远场色分离

神光II升级系统中束匀滑对三倍频的影响分析

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光学学报 2013年第12期33卷 214-219页

作者：季来林刘崇朱宝强邬融周申蕾林尊琪中国科学院上海光学精密机械研究所上海201800 中国工程物理研究院上海激光等离子体研究所上海201800

基于非线性耦合波方程分析了神光II升级系统中束匀滑技术对三次谐波转换过程的影响。模拟结果显示:400μm焦斑所采用的连续相位板将引起1.4%左右的效率下降,近场对比度增加量约为0.02,均在可接受范围内;但当焦斑达到800μm时将会引起6%... 详细信息

基于非线性耦合波方程分析了神光II升级系统中束匀滑技术对三次谐波转换过程的影响。模拟结果显示:400μm焦斑所采用的连续相位板将引起1.4%左右的效率下降,近场对比度增加量约为0.02,均在可接受范围内;但当焦斑达到800μm时将会引起6%左右的效率下降,并导致近场对比度增加近0.05,无法兼容目前系统设计,必须进一步优化连续相位板设计方案;而谱色散匀滑技术引入光谱展宽达到60GHz时将引起5%左右的效率下降,且会引发明显的时间纹波扰动;但是谱色散匀滑引入的空间角谱扫描并不会明显影响谐波转换效率,因此在高通量运行时,需要适当减小调制带宽以提高谐波转换效率和系统的稳定性。

关键词：非线性光学束匀滑三次谐波转换高功率激光

三倍频激光下金属颗粒对熔石英元件损伤阈值的影响

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中国激光 2012年第5期39卷 22-26页

作者：王立斌马伟新季来林赵东峰中国工程物理研究院上海激光等离子体研究所上海201800 中国科学院上海光学精密机械研究所上海201800

高功率激光器中,金属颗粒作为元件表面污染的一种,对熔石英元件寿命的影响早已得到关注。为了定量得到金属颗粒对熔石英元件损伤阈值的影响,在中国科学院上海光学精密机械研究所薄膜中心的标准损伤测试平台上,对未被污染的以及被3种不... 详细信息

高功率激光器中,金属颗粒作为元件表面污染的一种,对熔石英元件寿命的影响早已得到关注。为了定量得到金属颗粒对熔石英元件损伤阈值的影响,在中国科学院上海光学精密机械研究所薄膜中心的标准损伤测试平台上,对未被污染的以及被3种不同金属颗粒(Al、Cu、Fe)污染的熔石英元件的损伤阈值进行了测量。研究发现,被金属颗粒污染的熔石英元件,损伤阈值会降低为原来的20%～30%;吸收系数高的金属颗粒更容易诱导损伤,损伤形貌与未污染的熔石英损伤形貌也有很大的差别;离线观测样品形貌,可以从微观的角度观察到损伤的概率行为。参考损伤的爆炸模型,粗略地模拟了温度随时间的变化。

关键词：激光器激光损伤阈值金属颗粒熔石英

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高功率激光驱动器宽带三次谐波转换研究

高功率激光驱动器宽带三次谐波转换研究

作者：季来林中国工程物理研究院

学位级别：硕士

激光与等离子体相互作用中的各种不稳定性，必须通过对驱动激光采取时间和空间去相干等光束匀滑化措施来抑制，但光束的匀滑效果与驱动激光的带宽成正比。驱动激光带宽至少达到0.3～0.5nm时，才能有效利用光谱色散匀滑或空间感应不相干... 详细信息

激光与等离子体相互作用中的各种不稳定性，必须通过对驱动激光采取时间和空间去相干等光束匀滑化措施来抑制，但光束的匀滑效果与驱动激光的带宽成正比。驱动激光带宽至少达到0.3～0.5nm时，才能有效利用光谱色散匀滑或空间感应不相干等技术来改善光束的近场和远场聚焦均匀性。另外就激光器本身而言，激光的宽频带有助于激光放大器的储能的提取，抑制激光器中的大口径光学元器件的横向受激布里渊散射带来的破坏，但是受KDP晶体材料特性的影响，随着基频光束带宽的增加，三次谐波转换效率会明显下降，目前高效宽带谐波转换技术已成为高功率激光器发展的瓶颈，急需发展接收带宽至少为0.3～0.5nm的宽带三次谐波转换技术。在国外多种宽带三次谐波转换方案的中，双混频方案只需要在原来的谐波转换系统后面再串接一块KDP晶体就实现了高效宽带三次谐波转换，从经济和技术角度考虑都是目前的最佳选择。根据国内高功率激光发展的需要，本文深入跟踪研究了双混频晶体方案的工作原理和设计方法，主要内容有以下几方面： 1．利用离散傅立叶变换结合4阶隆格—库塔积分方法研究了时间相位调制脉冲的三次谐波转换，发现时间相位调制会带来输出脉冲的时间强度调制，随着时间相位调制的深度加大，脉冲强度调制也越大，而三次谐波转换效率下降越明显。 2．研究比较了几种宽带三次谐波转换方案原理和优缺点，特别深入研究了双混频晶体三次谐波转换方案的原理和设计方法。对这种方案，本文建立了小信号分析模型，并在高功率条件下做了许多的数值计算研究，其结果与国外论文数据比对是相符合的，为以后的设计优化工作的进行奠定了理论基础。 3．设计了一个双混频晶体宽带三次谐波转换方案，并在联合实验室二路装置上利用啁啾宽带激光脉冲验证了其工作原理，得到的实验结果为类似的系统设计提供了重要的依据和参考。

关键词：惯性约束聚变三次谐波转换宽带时间相位调制双混频晶体