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《高功率激光放大器脉冲的整形设计》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第11卷 第2期强激光与粒子束Vol.11,No.21999年4月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSApr.,1999文章编号:1001—4322(1999)02—0139—04X高功率激光放大器脉冲的整形设计王 韬, 范滇元(中科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800-211信箱,201800) 摘要:针对惯性约束聚变实验对激光驱动器脉冲波形的要求,将优化控制模型理论运用于计算激光放大器输入脉冲的预补偿波形,得到了与实验基本一致的结果。同时给出
2、了我国新一代高功率激光器“神光2Ë”装置主放大器级输入脉冲波形的设计要求。 关键词:高功率激光; 脉冲整形;ICF驱动器; 优化 中图分类号:TL821;TN78文献标识码:A 惯性约束聚变(ICF)研究是实现可控热核聚变,彻底解决未来能源问题的重要途径之一。为了可靠地实现对聚变靶丸的压缩和点火,抑制压缩过程中产生的不稳定性,同时提高压缩比,降低对激光能量的要求,ICF对作为驱动器的高功率激光器的输出脉冲波形提出了严格的[1,2]要求。但是,由于实际运行的激光驱动器工作在大能流密度下,受增
3、益饱和效应的影响,激光脉冲在经过放大后将发生波形畸变。畸变的程度与放大器的构型、增益介质的物理特性以及[2]所输出的能量等因素有关。这就要求必须按照ICF物理实验所要求的激光脉冲形状,相应调整输入脉冲波形,预补偿放大过程所造成的波形畸变。这种按照输出脉冲波形求输入脉冲形状[3][4]的问题属于一维逆问题,一般是按照Frantz2Nodvik模型逆向计算得到近似解。但是,对于采用多程放大的高功率激光放大器而言,逆向计算的结果将与计算所用到的中间物理参数存在较灵敏的影响关系,导致计算误差增大。文献[
4、5]中提出了采用逐次迭代法正向计算,虽然有效地减小了误差的引入,但同时也增加了运算的复杂度。美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室[6](LLNL)在建造Beamlet中采用了其开发的Prop92程序来进行输入脉冲波形设计,但具体的算法并未见到详细的报道。 本文首次将计算输入脉冲波形问题归结为动态最优化控制问题,通过建立最优控制的数学模型,利用泛函极值问题求解方法直接计算得到了所要求的放大器输入脉冲波形,从而避免了逆向计算所造成的诸多不便,具有计算快速准确的优点。此外,按照美国Beamlet装置的光路
5、构型,计算了其输入脉冲波形,得到了与其实验基本一致的结果。同时,还对我国新一代高功率激光放大器“神光2Ë”装置的输入脉冲波形做了具体计算,对脉冲整形设计提供参考。1 数学模型 目前建造的新一代高功率激光放大器均采用多程放大结构,由增益饱和效应所引起的激光脉冲波形畸变主要发生在主放大单元的最后两程放大过程中。对于一定波形的激光脉冲,Iin(t)、Iout(t)为放大器输入、输出光强,放大器的输入、输出放大关系可以表示为Iout(t)=#{Iin(t)}(1)X国家863惯性约束聚变领域资助课题1
6、998年10月20日收到原稿,1999年1月4日收到修改稿。王 韬,男,1969年9月出生,博士生©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.140强激光与粒子束第11卷将放大器作为控制对象,输入脉冲波形Iin(t)为控制函数,输出脉冲Iout(t)作为状态变量,则可以建立关于放大系统最优输入脉冲波形的数学模型(见图1)。Fig1Schematicdiagramofoptimuminjectedpulseshape
7、model图1 放大系统最优输入脉冲波形问题的数学模型示意图 基于对输出脉冲波形的具体要求,定义系统的性能指标泛函为Sp3J(Iin)=∫ûIout(t,Iin)-I(t)ûdt(2)03I(t)是ICF物理实验所要求的波形,Sp为激光脉冲宽度。当放大器输出脉冲形状与所要求的脉冲形状完全相同时,性能指标函数将达到极小值,即系统性能指标泛函的变分满足DJ[Iin(t)]=0(3) 当(2)式中Iout(t)所满足的状态方程可明确写出时,则通过计算系统性能指标泛函的变分,即可写出最优输入脉冲波形
8、所必须满足的表达式,从而得到输入脉冲波形。描述系统状态变量所满足的状态方程可以由光子输运方程和速率方程得到,光子输运方程可表示为5LIout(t)5I(z,t)=∫I(z,t)[B(z,t)-A]-cmdz(4)5t05zI(z,t)为光强,L为激光介质长度,B(z,t)、A分别为增益系数和损耗系数,cm是增益介质中的光速。由于高功率激光放大器工作在大能流密度下,激光能级间弛豫作用对放大器性能的影响[8][9]显著,必须考虑激光子能级间热化作用和下能级排空作用的影响,速率方程可表示为5N1(t)
