2-43 KrF激光MOPA系统预放大器物理设计

张春斌 巫德章 张 路 单玉生 王乃彦

　　针对正在研制的包括高质量前端、预放大器、主放大器及角多路传输在内的MOPA系统，在已有LPX150前端的条件下，预放大器的设计将是保证MOPA系统最终激光输出能量的首要一环。用三维蒙特卡洛方法计算了高能电子束在腔内的能量沉积，用改进的空间非均匀泵浦3D模拟方法对预放大器的振荡器动力学及放大器激光提取效率进行了研究。

　　特别研究了放大的自发辐射(ASE)的影响。根据过去的工作,为了抑制ASE,腔体的纵横比应取3.5。腔体外径 f 140，腔长50~55cm，电子束窗口为12cm×40cm，输出镜 f 120，计算表明，当电子束能量为0.32MeV和0.25MeV时，预放大器腔内能量沉积总量和能量沉积效率分别达到最大。由于是双向泵浦，电子束方向能量沉积分布较均匀，且以电子能量为0.35MeV最好。预放大器作为振荡器(加输出耦合镜)时，当气体混合比为Ar/Kr/F₂ = 0.896/0.10/0.004，泵浦功率密度为1.3MW/cm³，则输出激光能量为69J，小信号增益g₀=0.102cm^–1，非饱和吸收a₀ =0.0093cm^–1，饱和光强I_s=2.67MW/cm²。计算了预放大器的双程放大特性，当注入80mJ(0.031MW/cm²)时，可得到级增益G = 120cm^–1。

　　除了纵横比外，注入光强是影响ASE的又一重要因素，当注入光强为I_in=0.01I_s时，ASE将使输出光强下降25%，即级增益G由120变为90。放大器侧壁在未被处理时，其反射率为0~0.2之间，这种侧壁反射也会增加ASE的强度，从而降低激光输出。

　　用新编带侧壁反射的三维ASE程序计算,当侧壁反射率为10%，ASE增加20% ，激光输出下降5% ，而侧壁反射率为20% ，ASE增加43% 激光输出下降12%。由此可以看出，在预放大器的设计中，除了尽量提高电子束能量沉积效率外，还要特别注意因注入光强低,ASE影响较大的特点，在上述腔体尺寸下，考虑到侧壁反射20% ，ASE将使总的激光输出能量下降34%。