2-17 高功率片状激光放大器中ASE的特性

贺少勃 於海武 郑万国 贾 伟 陈远斌 刘 勇 唐晓东

  　激光放大器是惯性约束聚变激光驱动器的重要组成部件之一。目前主放大器系统多采用片状钕玻璃作为增益介质，为了获得更高的能量和功率，放大器口径和增益越来越大，随之会带来严重的自发辐射放大(ASE)和寄生振荡(PO)效应。ASE效应不仅会降低激光介质的储能密度和储能效率，而且会对增益均匀性产生严重影响。

  　项目采用理论模拟和实验研究相结合的方法，研究了高功率激光片状放大器中ASE的物理机制和现象。首先对泵浦过程分析，得出在低泵浦电压下单张钕玻璃片的初始储能密度分布(此时ASE效应影响很弱或者没有)。然后，建立一套较完整的包含空间和时间的三维ASE模型，由此模型分析钕玻璃片状放大器中的ASE效应；在现有4×2×3组合式放大器系统中，通过对放大器全口径激光增益分布的测量和分析，得到ASE效应对放大器增益性能影响情况的实验结果。通过模拟计算与实验结果比较，提出改进放大器设计、减小ASE效应和抑制寄生振荡的有效方法。给出不同电压、不同储能分布和不同泵浦时刻、不同增益长度积条件下ASE效应对放大器储能效率和小信号增益系数的影响。

  本研究工作的特点在于：(1)物理模型上考虑了氙灯电光辐射转换时间和光谱特性、增益介质全泵浦带的光谱选择吸收特性，以及ASE的三维时间特性；(2)国内首次采用预电离电路实现了超低泵浦强度下泵浦光能量在增益介质中的沉积分布，得到了强泵浦情况下ASE效应对储能效率的绝对影响，并方便地实现了理论与实验之间的校核；(3)得出了定量的研究结果。4×2×3组合式放大器上的实验表明：22kV的泵浦电压下，ASE造成的小信号增益系数损耗为13.64%，增益不均匀性为6.55%；对应模拟计算的结果分别为16.62%和7.44%，考虑到误差因素，二者结果基本吻合，证明了实验方法和模拟程序的正确性。

  　对高功率激光放大器的泵浦过程进行详细的分析，研究从氙灯泵浦、腔传输到钕离子上能级储能以及ASE效应对储能的影响等物理过程，定量给出不同泵浦参数和增益介质中的ASE引起的退泵浦特性。在未来的放大器设计中，不但要考虑系统的成本、钕玻璃的加工能力，还要分析由ASE造成的退泵浦效应，进行全系统的优化设计，找到最佳的性价比。对ASE效应的分析对将来高功率激光放大器的优化设计有参考价值。此模型可方便地应用到其它不同类型固体激光放大器和振荡器的ASE 研究中。