“之”形光路与直通光路板条放大器的比较

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1、第10卷　第3期强激光与粒子束Vol.10,No.31998年8月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSAug.,1998X“之”形光路与直通光路板条放大器的比较冯国英　吕百达　邵怀宗　罗时荣　蔡邦维(四川大学激光物理与化学研究所,成都,610064)　　摘　要　对磷酸盐钕玻璃“之”形光路与直通光路板条放大系统进行了详细的数值计算和实验研究,比较了它们的储能效率、增益、荧光分布、能量放大率和光束质量,证实了“之”形光路板条放大系统的优点。　　关键词　“之”形光路板条放大器　储能效率　增益和荧光分布　光束质量　　中图分类号　TN72[1,2

2、]　　理论和实验研究均表明:光束在均匀面泵浦、面冷却的板条介质内采用“之”形光路行进时,可有效地减小热效应和增益不均匀性的影响,获得高光束质量激光输出。而且,与棒相比,板条激光器有明显的优越性,对同一激光介质的板条和棒,板条与棒的最大输出功率间有[3]如下关系(Pout,maxöl)slabö(Pout,maxöl)rod≈3bö2Pa≈bö2a,a为板条厚度,b为板条宽度。只要板条的宽厚比大于2,就可获得较棒更高的输出功率。本文对磷酸盐钕玻璃板条激光振荡放大(MOPA)系统进行了详细的数值计算和实验研究,比较了“之”形光路板条与直通光路板条放大器的增益分布、

3、储能效率和荧光分布等。采用棱镜对,针对“之”形光路板条进一步设计了三通板条放大实验方案,在保持良好光束质量的条件下,提高了输出激光能量。1　计算原理1.1　激光放大器储能和增益分布　　从放大器储能电容的储能到激光增益介质的实际储能的转换过程,概括起来可分为脉冲氙灯的电光转换,泵浦腔的光能量传输和激光介质吸收光能并转换为储能等三个环节。通过求解放电网络微分方程,可得氙灯放电波形,进一步可计算出氙灯辐射谱、吸收谱,再用蒙特卡洛法和光线追迹法模拟氙灯柱面朗伯辐射和光线在泵浦腔内的传输,最后通过模拟泵浦速率随时间的变化和解自发辐射速率方程,计算出能量在介质内的存储情况

4、,给出增益的分布情况。1.2　激光放大器输出能量和脉冲波形　　在求解被动调Q的速率方程后,得到调Q脉冲波形,作为放大器的输入。采用脉冲分割模[4～6]型,将入射激光脉冲分割为一系列近似为矩形的小脉冲串(p个),将激光增益介质分为mp片,入射激光能量为Ein=∑J1,kõS。式中,J1,k(k=1,2,⋯,p)为第k个脉冲的能量密度,S为k=1[6]入射激光面积。利用Jn+1,k=LnJsln{Gn,k[exp(Jn,köJs)-1]+1}k=1,2,⋯,p(1)Gn,kexp(Jn,köJs)Gn,k+1=n=1,2,⋯,m(2)1+Gn,k[exp(Jn,k

5、öJs)-1]X国家863惯性约束聚变领域和四川省青年科技基金会资助项目1998年1月20日收到原稿,1998年5月20日收到修改稿。冯国英,女,1964年7月出生,博士©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.第3期冯国英等:“之”形光路与直通光路板条放大器的比较研究363即可计算出放大后的脉冲波形。式中,Jn,k和Jn+1,k分别为第k个脉冲入射和出射第n片介质的能量密度;Gn,k和Gn+1,k分别为第k个脉冲入射和出射第n片增益介质时的小信号增益;Ln为p第n片增益介质的

6、损耗。计算可得放大输出激光能量Eout=∑Jm,kõS。放大器的能量增益(能k=1量放大率)为EoutöEin。1.3　小信号增益系数和储能效率　　用阈值法测量放大器的储能效率时,利用公式R1R2exp(g0l-AL)=1,可得激光介质的小信号增益系数g0。两谐振腔镜的反射率为R1和R2,A为介质吸收系数,l为介质增益长度,L为介质的吸收长度。再利用Est=g0Es得到介质的储能密度,Es为介质的饱和能量密度。根据实验所得的起振泵浦能量Ep,即可计算出介质的储能效率:Gst=EstöEp,Ep=EpöV。式中,Ep为泵浦能量密度,V为介质的体积。2　“之”形与

7、直通光路板条放大器实验和计算结果比较Fig.1AschematicdiagramoftheNd:glassslaboscillatorandtwo2stageamplifiersystem图1　钕玻璃板条激光振荡器2二级放大系统示意图　　我们建立了图1所示磷酸盐钕玻璃板条MOPA系统,聚光腔经过优化设计。采用椭圆形结构,保证了在板条被泵浦的两个面上泵浦光分布均匀。加工了两组材料相同(磷酸盐钕玻璃,受-2022-1激发射截面R=3.4×10cm,饱和通量为6.18Jöcm,吸收系数为0.004cm)、横截面尺寸完全相同(0.5cm×1.4cm×13.7cm)的板

8、条:一组的端面为布儒斯特角的“之”形光