1 引 言
高功率激光系统中,对前级激光脉冲进行整形是必要的工作,针对不同的实验要求,输出不同形状的激光脉冲,可以大大提高激光脉冲能量的利用率。从原理上来说,目前纳秒级激光脉冲整形大致有以下几种手段:电光手段[1]、时空变换手段[2,3]、全光学手段[4,5]和集成光学手段[6,7]。本文从全光学手段出发,设计了一种简单而造价低廉的多臂迈克耳逊干涉仪整形系统,并从理论上计算了各反射镜元的参数,与四光路叠加系统[4]相比,调节一路光程只需调整光路中相对应的一个全反射镜元的位置即可,而四光路叠加系统中,调节一路光程则至少需要调整两个反射镜元的位置,从而节约了大量的工时。
2 多臂迈克耳逊干涉仪脉冲整形系统
图1为多臂迈克耳逊干涉仪脉冲整形系统的示意图,图中,激光器输出宽度为1.0 ns左右的初始激光脉冲,经过多臂迈克耳逊干涉仪进行叠加之后,由反射镜R8输出整形后的激光脉冲,再经过波面平滑单元和空间滤波器平滑、滤波之后,输入到下一级放大系统。为了消除脉冲经过分光元件反射后的多光点现象,R4,R5,R6,R8,R9一般不再是表面相互平行的平板,而是将其两表面设计成一个1°～2°的小角度,这样经过反射之后后表面的反射光点将会偏出系统。
多臂迈克耳逊干涉仪脉冲整形系统的光路和光程如下所示:
3 多臂迈克耳逊干涉仪脉冲整形系统参数的确定
激光脉冲在真空中传播时满足
假定初始激光脉冲为单色平面高斯包络脉冲,即
如果要求输出的脉冲也为平面单色脉冲,只不过其振幅包络是特定的形状,令
计算中我们采用为ICF打靶所设计的特殊脉冲为输出脉冲[8],并令初始脉冲的T=1.0 ns,f(t)的近似式为
振幅对照比为1¨2.8,峰值相对振幅为10。
初始激光脉冲经过多臂迈克耳逊整形系统后,得到4个分量:
由于波面平滑器和空间滤波器的作用,可以使等相面上振幅的分布非常均匀,从而可以略去(8)式中的相位因子exp[iω0(t-zi/c)]。
定义瞬时均方差函数
则总均方差为
根据ICF打靶脉冲的宽度(约为3.2 ns)和初始脉冲的宽度T=1.0 ns,可以任意选定一组zi值为
z1= 12.0 cm; z2= 36.0 cm; z3= 60.0 cm; z4= 84.0 cm
然后将(10)式对Ai求偏导并令其等于零得
式中i=1,2,3,4。将f(t)的近似表达式代入上式,利用数值方法进行积分,然后算得各分量的相对振幅为
A1= 1.085; A2= 2.806; A3= 2.604; A4= 8.005
3.1 各光程的确定
假定分光元件的厚度为0.1 cm,折射率为1.5,由此带来的时间延迟为(n- 1)/c=1.67ps,考虑到相邻激光脉冲的时间间隔为几百ps,另一方面,由于初始激光脉冲为宽度1 ns的时域高斯脉冲,其位置即使移动达到10 ps,叠加后的影响也不会太大,故此为简单起见分光元件的厚度可以略去不加考虑,于是对应于第二节中的光路有
任意选定L7=4.0 cm,L4=12.0 cm,L5=12.0 cm,解得L1=4.0 cm,L2=L3=4.0 cm,L6=16.0 cm,这样计算的值可以近似认为是分光元件之间的距离。
3.2 分光元件反射系数的确定
根据振幅合成法则得如下方程
考虑到激光脉冲在传输过程中的损失,假定初始激光脉冲的相对振幅为64,并令R4= 0.50,利用计算机进行数值迭代解得
R5= 0.28; R6= 0.70; R8= 0.51; R9= 0.69
4 整形系统输出结果的数值模拟与理论的比较
图2为所设计的整形系统输出脉冲时域包络的数值模拟结果,由于假定了在空域上是无限大的平面波,故在传输的过程中,光脉冲的空域特性不变。图3是为ICF打靶所设计的脉冲[8],通过比较图2与图3可以看出,所设计的系统基本上可以取得预期的整形效果。进一步分析知道,输出整形脉冲的宽度在一定程度上受到初始脉冲宽度的限制,一般当初始激光脉冲的宽度为T时,输出整形脉冲的宽度在2T～4T时,整形系统能够获得较为理想的结果。
参考文献
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5 N. Miyanaga, S. Matsuokaet al.. 1st Annual Conf. on Solid State Laser for Application to ICF, Mon-terey, CA, 1995,321～328
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7 R. B. Wilcox, W. Behrendt, D. F. Browinget al.. Fusion laser oscillator and pulse-forming system forusing integrated optics.SPIE, 1993,1870∶53～63
8 J. K. Lawson, D. R. Speck, C. Bibeauet al.. Temporal shaping of third-harmonic pulses on the Novalaser system.Appl.Opt., 1992,31(24)∶5061～5068
