[论文解读] Reducing laser beam fluence and intensity fluctuations in symmetric and asymmetric compressors

Е. А. Хазанов|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2023

Laser-Matter Interactions and ApplicationsPhysics and Astronomy被引用 3

一句话总结

本文对由两组非相同光栅对组成的非对称光脉冲压缩器中的时空耦合效应进行了理论建模，表明非对称性可在不降低轴向强度的前提下抑制光束辐照度波动。关键结果是仅依赖于单一非对称性参数的辐照度均方根（rms）波动的精确表达式，从而实现对后压缩阶段小尺度自聚焦的有效抑制。

ABSTRACT

All space-time coupling effects arising in an asymmetric optical compressor [1] consisting of two non-identical pairs of diffraction gratings are described analytically. In each pair, the gratings are identical and parallel to each other, whereas the distance between the gratings, the groove density, and the angle of incidence are different in different pairs. It is shown that the compressor asymmetry does not affect the far field fluence and on-axis focal intensity. The main distinctive feature of the asymmetric compressor is spatial noise lagging behind or overtaking the main pulse in proportion to the transverse wave vector. This results in a degraded contrast but reduces beam fluence fluctuations at the compressor output. Exact expressions are obtained for the spectrum of fluence fluctuations and fluence rms that depends only on one parameter characterizing compressor asymmetry. The efficiency of small-scale self-focusing suppression at subsequent pulse post-compression is estimated.

研究动机与目标

• 分析由非相同光栅对组成的非对称光压缩器中的时空耦合效应。
• 确定压缩器非对称性对光束辐照度和强度波动的影响。
• 量化通过降低辐照度波动而实现的小尺度自聚焦抑制效果。
• 推导仅依赖于单一非对称性参数的辐照度波动谱和均方根值的精确表达式。
• 评估非对称性对远场辐照度和轴向焦点强度的影响。

提出的方法

• 通过使用具有不同槽密度、入射角和光栅间距的两对相同、平行排列的衍射光栅，对非对称压缩器中的时空耦合效应进行理论推导。
• 建模光束通过压缩器的传播过程，以计算时间域和空间频率域中的辐照度和强度波动。
• 推导辐照度波动谱和辐照度均方根值的精确表达式，其仅依赖于单一非对称性参数。
• 评估由于空间噪声滞后或超前主脉冲而引起的对比度退化，其与横向波矢成正比。
• 基于降低的辐照度波动，评估在后续后压缩阶段中自聚焦抑制的效率。
• 利用精确的解析解表明，远场辐照度和轴向焦点强度不受非对称性影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 光栅对参数的非对称性如何影响光压缩器中的辐照度和强度波动？
• RQ2 辐照度波动谱和均方根值对压缩器非对称程度的依赖关系如何？
• RQ3 尽管引入了空间噪声，非对称性是否会降低轴向焦点强度或远场辐照度？
• RQ4 非对称性在多大程度上抑制了后压缩阶段的小尺度自聚焦？
• RQ5 辐照度波动统计是否可由一个独立于其他系统细节的单一通用参数来描述？

主要发现

• 压缩器的非对称性不会改变远场辐照度或轴向焦点强度，从而保持光束质量。
• 引入了滞后或超前主脉冲的空间噪声，其与横向波矢成正比，导致时间对比度下降。
• 辐照度均方根（rms）波动可精确表示为单一非对称性参数的函数，从而实现精确调控。
• 辐照度波动谱被理论推导得出，且仅依赖于该非对称性参数，简化了系统设计与优化。
• 降低的辐照度波动可有效抑制后续脉冲后压缩阶段中的小尺度自聚焦。
• 该理论框架提供了辐照度波动统计的完整描述，无需依赖数值模拟。