基于时空调控光束的小尺度自聚焦抑制机理研究

In the field of high power solid-state laser, filament results from small-scale self-focusing effect may destroy the optics and then reduce the operation safety of laser facilities. Several methods such as spatial-filter, Image relaying and improved optics have been employed to suppress the small-scale self-focusing effect, but as the rising laser energy and peak power, such traditional passive methods can't work efficiently anymore. Therefore the explorations to new suppression method are of great sense. In this project, based on the good understanding of the nonlinear refractive index temporal response in the medium, we explore the mechanism of small-scale self-focusing suppression by beam spatial-temporal manipulation. By disorganizing the time-domain integral of self-focusing effect by beam sweeping, the equivalent nonlinear coefficiency can be reduced. The nonlinear dynamic evolution of the spatially-temporally manipulated beam in the optical medium will be investigated, and the influence of beam parameters such as sweeping amplitude, step and period, as well as the medium temporal response parameters on small-scale self-focusing will be achieved. Suppression scheme to self-focusing effect by disorganizing the time-domain integral will be explored, which may suggest new possibilities for solving the UV filament damage problem in high power laser systems.

在高功率固体激光领域，小尺度自聚焦效应可能导致光学元件出现成丝损伤，进而影响激光器的安全运行。虽然采用空间滤波器、像传递、改善元件质量等措施可抑制小尺度自聚焦效应，随着激光器输出能量和峰值功率的不断攀升，传统的被动型抑制手段难以满足高功率激光器的发展需求，因此探索新的自聚焦抑制方法具有重要的科学意义。本项目拟在深入理解介质非线性折射率时域响应特性的基础上，探索时空调控光场抑制小尺度自聚焦效应的机理，即采用随时间扫动的光束来破坏自聚焦过程的时域积分效应，降低等效非线性折射率系数。项目将重点开展时空调控光束在介质中传输的非线性动力学演化规律研究，获得光场扫动幅度、步长、周期和介质时域响应特性与自聚焦成丝程度的关系，寻求能够有效抑制小尺度自聚焦时域积分效应的光束时空调控方案，从而为高功率激光装置紫外成丝损伤问题的解决提供新的思路。

基于高功率激光装置紫外元件成丝损伤对装置运行安全的挑战，开展了基于时空调控光束的小尺度自聚焦抑制机理研究。建立了含时域动态响应的多波长非线性光传输模型，揭示了整形长脉冲在紫外元件中的成丝阈值远低于平顶短脉冲的物理机理，即基频预脉冲和三倍频主脉冲前沿通过电致伸缩效应对三倍频主脉冲后沿产生交叉相位调制，增大了小尺度自聚焦成丝和热像风险。提出了基于时空调控光场抑制三阶非线性效应的方法，采用数值模拟方法分析了运动光束的光场扫动幅度、周期和介质时域响应特性对三阶非线性效应的影响，当扫动幅度 时，对于抑制整形脉冲在紫外元件中的成丝增长和热像都具有非常显著的效果。.提出了一种基于相移增强型泵浦-探测技术的材料非线性折射率系数测量方法，受非线性“热像”的原理启发，在泵浦束引入一维缺陷调制，使得样品中的非线性折射率响应具有强烈的一维空间分布特征，从而使得探针束在经过样品后获得增强的非线性相移。该方法可以降低泵浦、探针光束均匀性以及CCD相机本底噪声对测试结果的影响，提高探测到的信号光的信噪比，从而提高测试精度。由于泵浦光和探测光相对独立，基于该方法测试了CS2、熔石英等材料在不同脉冲波长和脉宽激励下的的非线性折射率系数，验证了该实验方法的可靠性。.本项目的研究成果合理地解释了整形脉冲在紫外元件汇总的自聚焦成丝阈值远低于预期的物理原因，提出了一种有效的抑制方法，可为进一步提升高功率固体激光装置的输出能力和负载能力提供技术支撑。同时，本项目提出的相移增强型泵浦探测技术对于复杂光场条件下的非线性折射率响应特性研究提供了重要的思路。