采用混合玻璃配置提高高功率激光装置短脉冲输出能力

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1、!第!"卷!第#期强激光与粒子束$%&’!"!(%’#!!)**+年#月,-.,/0123456235(7/538-942:25;65<=’!)**+!文章编号!!!**!>#?))")**+#*#>*+!@>*+采用混合玻璃配置提高高功率激光装置短脉冲输出能力"杨!菁!!)!!张小民)!!王文义)!!粟敬钦)!!景!峰)!胡东霞)!!袁!静)!!师智全)!!张!锐)"!!山东大学信息科学与工程学院!山东济南)+*!**$)!中国工程物理研究院激光聚变研究中心!四川绵阳A)!B**#!!摘!要!!在分析不

2、同基质材料激光特性的基础上!结合钕玻璃放大系统的增益特性和!!分布特性!提出了在高功率激光装置的主放大级中!混合使用高增益激光玻璃和低非线性折射率玻璃的新思路!以期在降低非线性折射率的基础上提高激光装置在短脉冲的输出能力%用光传输程序模拟计算所得结果表明该方案能有效提高系统输出能力%在!CD时!激光系统最大能量输出有?*E"#*E增长%!!关键词!!高功率激光装置$!能量增益$!数值模拟$!激光玻璃$!非线性折射率!!中图分类号!!8()#@’!!!!!文献标识码!!5!!作为惯性约束聚变"-9F#驱动器

3、的高功率固体激光装置一直朝着超高功率&超大能量的方向发展!装置规模随之越来越庞大!出现了以(-F为代表的新一代巨型高功率固体激光装置%为了追求装置的经济性能!在系统优化设计中要考虑一项重要设计指标’’’系统输出性能的可扩展能力!即在脉宽为设计点处系统性能优化的基础上!兼顾其他脉宽的系统输出能力!使装置满足不同物理需求%!!不同的输入脉宽给激光装置设计带来很大差异和不同的优化重点%当脉冲宽度为数纳秒或更长时!输出能力受装置的增益能力限制!装置属于能量受限型$脉冲宽度为纳秒或更短时!光学介质非线性效应将引起自

4、(!)聚焦造成破坏!装置属于功率受限型%这两种类型的系统输出能力相差很大!以(-F为例!其首要目标是实现聚变点火!需要主脉冲为数纳秒的整形脉冲!因而按能量受限型优化!以总体输出!’@;G*+CD为优化目标$而用于高温等离子体物理研究时!在!CD脉冲高峰值功率状态运行!只能输出*’"?;G的能量%系统在短脉冲时输出能力相对很低!从设计角度看!装置无法在两种脉宽下都处于优化工作状态%!!为了提高高功率激光装置在短脉冲的输出能力!缩小长&短脉冲输出能力的差距!有效方法即采用低非线性折射率"的激光玻璃!降低!积分

5、效应对系统输出能力的约束%但低"玻璃受激发射截面相对不大!增益))性能并不占优%)*世纪"*年代!美国利弗莫尔实验室"44(4#曾结合增益和非线性特性提出在放大器后级采用低"氟磷酸盐玻璃的思路!但当时氟磷酸盐玻璃中相当高的铂金含量及在激光损伤方面存在的问题很快被)排除在高功率激光系统的应用之外%现今激光材料工艺水平的提高有望解决这些问题%本文在分析不同基质材料激光特性的基础上!结合钕玻璃放大器各段的增益和!!分布特性!详细分析计算了混合玻璃配置的理论可行性%此方案为激光介质材料优化乃至激光装置系统优化提供

6、了一条可行的新思路%"!高功率激光装置对激光材料性能的要求!!钕玻璃固体激光装置是目前国际上普遍使用的-9F驱动器%钕玻璃放大片是装置的关键元器件!其基质材料的主要光谱和光学参数!如非线性折射率"&受激发射截面!和荧光寿命"等对系统输出能力影响很大!)())其中参数"和!属于本征参数范畴%)!!介质非线性折射率")引起的自聚焦效应会极大地影响光束质量!甚至造成激光材料的损伤!从而限制短脉冲条件下高功率激光装置功率密度的提高%在激光放大器中自聚焦效应常用!积分来表征%!积分是光"收稿日期!)**#>!*>!

7、B$!!修订日期!)**#>!)>)!基金项目!国家@A?计划项目资助课题作者简介!杨!菁"!B"+’#!女!博士研究生!从事高功率激光器设计优化及评估的研究$绵阳B!B>B@@信箱%第&期杨"菁等&采用混合玻璃配置提高高功率激光装置短脉冲输出能力C’F""#!程长度方向累积的非线性相位延迟!数学表达式为#(#!&!&#’’$!""$$%%%%!"""$’%!!$&$(式中&"为非线性折射率系数’$$%%是激光功率密度’&是介质的线性折射率(由公式可看出!!积分与非线性$折射率&成正比(降低&可有效减小!

8、积分效应对输出能力的约束!提高系统输出能力(降低&是高功率###激光装置对材料的主要要求之一(""对于激光材料!增益系数也尤为重要(增益介质的受激发射截面#直接影响小信号增益系数!对输出能量"&#影响较大!#的增大将显著增加输出能量(""由以上分析可知!最好的激光材料应同时具有低&#和高#(表’列出一些典型的钕玻璃基质材料的特性(磷酸盐玻璃的受激发射截面#相对较高!是目前高功率激光装置普遍使用的基质材料’氟磷酸盐)氟铍酸盐等玻