激光脉冲前后沿相干叠加对多程放大的影响.pdf

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．18(2014)184205激光脉冲前后沿相干叠加对多程放大的影响冰张颖刘兰琴王文义十黄晚晴耿远超谢旭东朱启华(中国工程物理研究院激光聚变研究中心，绵阳621900)(2014年3月l7臼收到；2014年4月8日收到修改稿)针对多程放大过程中激光脉冲经腔镜折返前后沿交叠的问题，建立了激光脉冲在增益介质中前后沿相干叠加放大的物理模型．理论分析表明，脉冲前后沿完全相干叠加形成驻波场，使得反转粒子数出现烧孔效应，影响输出脉冲的增益和波形．基于此物理模型，模拟计算了脉冲在多程放大过程中波形的演化，比较了不交叠、完全非相干叠

2、加和完全相干叠加三种情况下对放大器的增益和对脉冲波形的影响．为高功率固体激光器的设计提供指导．关键词：多程放大，腔镜，相干，增益饱和PACS：42．55．一f，42．55．Ah，42．60．Da，42．25．KbDOh10．7498／aps．63．184205本文建立了脉冲前后沿相干交叠放大的物理1引言模型，给出了脉冲前后沿相干交叠放大过程的物理图像，分析了影响最大光强和增益能力的相关因早在20世纪60年代初，Frantz和Nodivik[1]建素，为高能激光系统的建造提供设计依据．立了激光放大的F—N速率方程，它能够描述反转粒子数的消耗、增益饱和以及各种弛豫效应．随

3、着多2模型建立程放大构型的出现，对激光放大过程的研究重点在于如何设计构型、配置参数，尽可能多地消耗反脉冲经过腔镜反射这一过程可将脉冲自身分转粒子数，提高能量提取效率，以及研究各种弛豫为两个部分：一是入射光部分，电场为E1；一是反效应对放大过程的影响[2-10】．以上研究都忽略了射光部分，电场为E2．如图1所示，为腔镜到放一个重要问题：在多程放大器中，当脉冲的宽度大大介质表面的距离．考虑到半波损失，入射光和反于往返腔镜所需要的时间时f例如当脉冲宽度为射光的电场表示为20ns时，放大介质离腔镜的距离小于3m时)，脉冲的前沿和后沿将在增益介质中重叠，共同消耗反转JE1=、／

4、／五(t，)exp[i(wt—kz+≯)】，1、粒子数，使得系统的输出能力降低．文献『11]针对IE2=、／／(￡，)exp[i(wt+kz++)]这一过程建立了物理模型并提出了相应的计算方其中1和为入射光和反射光的光强，它们是空法．但是，文献『111在建模时假设脉冲的前沿和后间坐标z和时间坐标t的函数；西为入射电场的位沿完全不相关，反转粒子数的消耗正比于前后沿光相；为角频率；为波矢，假设腔镜位于Z=0处．强的直接相加，事实上对于一个窄带脉冲而言，它进一步假设入射光场和发射光场是完全相干的相干时间很长，前后沿是完全相干的．此外，以的，则总电场表示为二者电场之和：往的研

5、究中没有给出交叠放大过程对系统增益能力及波形演化的影响，无法指导放大器的设计．E+E2：exp(iwt++)I、／自土程物理研究院科学技术发展基金(批准号：2013B0401067)资助的课题．十通讯作者．E-mail：wangerxiao@163．com⑥2014中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp：／／／／wulixb．hy．ac．c佗。·’．．184205．1物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．18(2014)184205其中An为反转粒子数密度，为受激发射界面，h×exp(一z—三)+、／为普朗克常数，u为激光脉冲

6、的中心频率，V。为脉×exp(ikz+i(2)冲的群速度．假设脉冲前后沿完全非相干叠加时Is=Ii+I2；假设脉冲前后沿完全相干叠加时，总光强为电场的模的平方：如(3)式所示．系数OL三Is／(I1+I2)保证了Is(t，)=IEz+E2]模型的能量守恒．一=I1(t，z)+／2(t，Z)一叽一。一，一2V／I1(t，)12(，cos(2kz)．(3)一：显然，总电场为驻波场，其调制周期等于半个光波m≤长．当=(2n一1)A／4(n为正整数)时，光强最大，TfIm=厶++2；当Z=n),／2(礼为正整图1前后沿在介质中交叠放大光路示意图数)时，光强最小，Imi=I1+

7、I2—2瓜．总光强最大值和最小值所在的位置不随时间变化，而3算例与讨论消耗的反转粒子数正比于总的光强，将发生烧孔效应．脉冲经腔镜折返后交叠放大的模型如下：基于上述的建模，结合文献[11】的计算方法，将光强看作空间Z的函数，求解f)随时间t的变化，开发了相应的模拟计算程序．下面讨论两种常见的放大光路：一是片状放大器，片与片之间存在一定的间隔；一是棒状放大器，它们的参数如表1所示．表l放大器参数列表假设注入脉冲形状为方波，中心波长1053nm，为平顶分布．t=10．97ns时，脉冲前沿从腔镜返回脉宽20ns，在入射光强10=0．0125MW．cm_。，放